28.11.2016
Für die Realisierung des neuen Quantenstandards für das Ampere werden hybride Schaltungen aus halbleitenden Einzelelektronenpumpen und metallischen Einzelelektronentransistoren (SET) entwickelt. Die SETs sind in der Lage, einzelne Elektronen zu detektieren und dienen dazu, die Genauigkeit der Pumpen zu validieren. Durch die Verwendung von RF-SETs kann eine höhere Bandbreite realisiert werden.
Die Einzelelektronenpumpen sind in der Lage, kontrolliert einzelne Elektronen mit einer Pumpfrequenz f zu transportieren. Daraus resultiert ein hochgenauer Strom I=e.f (e ist die Elementarladung). Da der Strom aus diesen Pumpen dennoch mit einem geringen Fehler behaftet ist (ca. 10-6-10-7), nutzt die PTB SETs als hochempfindliche Elektrometer, um diese Fehler zu detektieren.
Dies wird realisiert, indem die SETs kapazitiv an Ladungsinseln gekoppelt werden, die sich jeweils zwischen den in Serie geschalteten Pumpen befinden. Um die Auslesebandbreite der SETs zu erhöhen, werden sie in einen LC-Serienschwingkreis integriert (schematisch in Bild 1 dargestellt). Dies ermöglicht, den Zustand des Ladungsdetektors durch einfache Reflektometrie-Messungen am Schwingkreis auszulesen. Die Resonanzfrequenz des Resonators beträgt bis zu 500 MHz, und die Güte liegt bei ca. 50-80.
Ein weiterer Vorteil eines solchen RF-SETs liegt in der Möglichkeit, mehrere Detektoren zu "multiplexen". Dazu werden die Resonatoren der einzelnen Detektoren für unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgelegt, mehrere Detektorsignale in nur ein Hochfrequenzkabel eingespeist, und es wird nur eine breitbandige Verstärkerkette benötigt. Die Auswertung der Detektorsignale geschieht mit Hilfe einer speziell für diesen Zweck entwickelten FPGA-Elektronik. Durch das Multiplexing kann der experimentelle Aufwand im Messaufbau enorm reduziert werden.
Es konnten bereits erste Messungen mit dem System durchgeführt werden und ein Multiplexing von 4 SETs demonstriert werden (siehe Bild 2). Wegen seiner guten Skalierbarkeit kann das Frequenzmultiplexing auch relativ einfach auf eine höhere Anzahl an Detektoren erweitert werden. Mit einer höheren Anzahl von Detektoren könnten Pumpfehler noch zuverlässiger ermittelt werden.
Bild 1: Schematische Darstellung eines RF-SETs. In der Mitte ist der SET erkennbar, auf der rechten Seite ist die Elektronik für den DC-Biasstrom angeschlossen und links sind die Spule und der Kondensator des Schwingkreises dargestellt.
Bild 2: 3D-Darstellung des Frequenzverlaufs von vier gemultiplexten RF-SETs. Die Resonanzfrequenzen der SETs liegen bei ca. 130MHz, 160MHz, 290MHz und 340MHz. Es ist kein wesentliches Übersprechen zwischen den einzelnen Detektoren messbar.