27.11.2017
Für das Projekt "elektronisches Kelvin" wurde ein System zur Erzeugung eines quanten-genauen berechenbaren Spannungsrauschens aufgebaut, das pulsgetriebene Josephson-Spannungsnormale nutzt. Um dieses QVNS-System ("Quantum Accurate Voltage Noise Source") zu optimieren und zu charakterisieren wurden zwei solche Systeme aufgebaut, die unter Variation verschiedener Parameter gegeneinander getestet werden.
Bei der Johnson Rauschthermometrie (Johnson noise thermometry, JNT) kann man durch eine Rückführung einer Rauschspannungs-Messung auf ein pulsgetriebenes quantisiertes Rauschsignal ein "elektronisches Kelvin" und somit einen primären Temperaturstandard realisieren. Basierend auf speziell für das Projekt angefertigten JNT-JAWS-Schaltungen (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer, Bild 1) lassen sich quantisierte Multiton-Wellenformen erzeugen (Bild 2), die auch das Spannungsrauschen eines Widerstands R bei einer Temperatur T simulieren können. Das Spannungsrauschen des QVNS dient dabei als Referenz zur Kalibrierung der Verstärkerelektronik, die im JNT-Aufbau für die Messung des sehr kleinen, am Messwiderstand R auftretenden Spannungsrauschens benötigt wird.
Um die Genauigkeit des QVNS-Systems selbst zu überprüfen und zu optimieren, wurden zunächst eine Vorcharakterisierung der JNT-JAWS-Schaltungen, sowie dann weitere differentielle Messungen zweier quantisierter Sinusspannungen in Abhängigkeit der Frequenz vorgenommen. Nach Abschluss der Charakterisierungsphase wird ein QVNS-System in den JNT-Aufbau beim für die Thermometrie zuständigen Fachbereich der PTB in Berlin integriert.
Am Projekt "elektronisches Kelvin" sind die Fachbereiche 2.6, 2.4, 7.2 und 7.4 beteiligt.
Bild 1: JNT-JAWS-Schaltung, hergestellt im PTB-Reinraumzentrum und platziert auf dem dazugehörigen Chip-Carrier. Die von links über die SMA-Einspeisungen und CPW-Leitungen einfallenden Pulse erzeugen an den Josephson-Kontakten eine quantisierte Spannung.
Bild 2: Frequenzbereichs-Darstellung einer gemessenen Multitonwellenform mit synthetisiertem Spektrum. Durch Anpassung des Sigma-Delta-Algorithmus lassen sich beliebige Wellenformen erzeugen. In diesem Beispiel wurde eine JNT-JAWS-Schaltung mit 450 Josephson-Kontakten verwendet.