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Einzelelektronen-Schaltungen

Einzelelektronen-Schaltungen erlauben die Steuerung einzelner Ladungsquanten (Elektronen) in elektronischen Schaltkreisen (engl. Single-Electron Transport, abgekürzt SET). Ihre Funktion basiert auf dem Coulomb-Blockade-Effekt, also dem Effekt der elektrostatischen Abstoßung gleichnamiger Ladungen. In extrem kleinen, typischerweise nanostrukturierten Schaltkreisen wird dieser Effekt so stark, dass er bei sehr niedrigen Temperaturen (typischerweise einige tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt) experimentell genutzt werden kann.

Spezielle SET-Schaltungen, sogenannte Einzelelektronen-Pumpen, ermöglichen die Erzeugung von elektrischen Strömen durch getakteten Transport einzelner Elektronen. Jüngste Fortschritte auf diesem Gebiet erlauben die Erzeugung von Stromstärken > 100 pA mit relativen Unsicherheiten von einem Teil in einer Million und besser. Ein anderer Typ von SET-Schaltungen, genannt Einzelelektronen-Transistoren, ermöglicht die Detektion einzelner Elektronen. Kombinationen beider SET-Schaltungstypen ermöglichen neue Anwendungen in der metrologischen Grundlagenforschung.

 

Schema der Erzeugung von elektrischen Strömen mit einer Einzelelektronen-Pumpe

Schema der Erzeugung von elektrischen Strömen mit einer Einzelelektronen-Pumpe, in diesem Bild symbolisiert durch ein Zahnrad. Einzelne Elektronen (gelb) werden mit der Frequenz f getaktet durch die Schaltung transportiert. Gemäß der Definition der elektrischen Stromstärke als elektrische Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Leiterquerschnitt fließt, entsteht so ein Strom der Stärke ISET = e . f, wobei e die Elementarladung (Ladung eines Elektrons) ist.

 

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit der Nutzbarmachung der genannten Effekte für metrologische Einsatzzwecke, wie beispielsweise der zukünftigen quantenbasierte Darstellung der Stromstärkeeinheit Ampere sowie Realisierungen des "Quantenmetrologischen Dreiecks".

 

Einen aktuellen Überblick zum Stand der Forschung über SET-Schaltungen bietet der folgende Übersichtsartikel:

 

  • J. P. Pekola, O.-P. Saira, V. F. Maisi, A. Kemppinen, M. Möttönen, Y. A. Pashkin, D. V. Averin, „Single-electron current sources: Toward a refined definition of the ampere“, Rev. Mod. Phys. 85, 1421 (2013)

 

 

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