Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Vergleichsmessungen von Quantenwiderständen aus Graphen- und GaAs/AlGaAs

Kategorien:
  • Grundlagen der Metrologie
23.10.2022

Kalibrierwerte eines 100-Ω-Referenzwiderstands, erzielt durch Vergleiche mit Graphen- bzw. GaAs-basierten Quantenwiderständen (blaue bzw. rote Punkte). Die erkennbaren Unterschiede der Messdaten beider Messkampagnen spiegeln die zeitliche Drift des (konventionellen) Referenzwiderstands wider. Der Einsatz zeigt das Foto eines Graphen-Quantenwiderstands in der Probenhalterung.

 

Für die zukünftige Darstellung und Weitergabe der Widerstandseinheit Ohm wurden in der PTB Graphen-basierte und GaAs-basierte Quanten-Hall (QH)-Widerstände aus eigener Produktion auf höchstem Präzisionsniveau indirekt unter Nutzung eines konventionellen Referenzwiderstands gegeneinander verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Universalität des Quanten-Hallwiderstandes in den Materialsystemen GaAs/AlGaAs und Graphen auf einem Genauigkeitsniveau von zwei nΩ pro Ω gegeben ist.

 

Im Rahmen der Untersuchungen wurden die QH-Proben aus Graphen und aus GaAs zunächst umfassend nach Maßgabe der Guidelines für die Anwendung des QH-Effekts in der Widerstandsmetrologie [Delahaye, Jeckelmann, Metrologia 40, 217 (2003)] in einem Kryomagnetsystem vorcharakterisiert. Jeweils anschließend an diese Voruntersuchungen wurde der Referenzwiderstand unter Einsatz einer hochgenauen Widerstandsmessbrücke (basierend auf einem Kryo-Stromkomparator) mit den QH-Widerständen kalibriert. Unter quantitativer Berücksichtigung des Längswiderstands der QH-Widerstände sowie der zeitlichen Drift und der Druck- und Temperaturabhängigkeiten des Referenzwiderstands ergab sich eine Übereinstimmung der jeweiligen Messwerte innerhalb der erweiterten Messunsicherheit von 2×10-9. Dies belegt die Konsistenz der QH-Widerstandswerte in den aus Graphen und GaAs gefertigten Quantenwiderstände.

 

In weitergehenden Untersuchungen wurde auch die Stromtragfähigkeit der Graphen-basierten QH-Widerständen untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die Widerstandsquantisierung bei einem Magnetfeld von B = 6 T und bei einer Temperatur von T = 4,2 K bis zu Stromstärken von 230 µA gegeben ist (zum Vergleich: Widerstandkalibrierungen wie oben erwähnt werden typischerweise bei Stromstärken von etwa 40 µA durchgeführt). Die hohe Stromtragfähigkeit der Graphen-Quantenwiderstände kann für weitere Anwendungen in der Metrologie genutzt werden.

 

Insgesamt ermöglichen die vorteilhaften Eigenschaften der Quantenwiderstände aus Graphen – im Vergleich zu herkömmlichen Quantenwiderstände aus GaAs – die technisch vereinfachte quantenbasierte Darstellung der Einheit Ohm. Die Nutzbarkeit bei relativ niedrigen Magnetfeldern und bei relativ hohen Temperaturen, die mittels modernen Kleinkühler-Magnetsystemen bereitgestellt werden können, eröffnen neue Anwendungsperspektiven auch im Bereich von Industrie und Kalibrierlaboratorien.

 

 

Bild: Kalibrierwerte eines 100-Ω-Referenzwiderstands, erzielt durch Vergleiche mit Graphen- bzw. GaAs-basierten Quantenwiderständen (blaue bzw. rote Punkte). Die erkennbaren Unterschiede der Messdaten beider Messkampagnen spiegeln die zeitliche Drift des (konventionellen) Referenzwiderstands wider. Der Einsatz zeigt das Foto eines Graphen-Quantenwiderstands in der Probenhalterung.

 

 

 

Ansprechperson:

Mattias Kruskopf und Atasi Chatterjee

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie"

mattias.kruskopf@ptb.de

atasi.chatterjee@ptb.de

 

Kontakt

Leiter der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Dr. Dr. Jens Simon

Telefon: (0531) 592-3005
E-Mail:
jens.simon(at)ptb.de

Anschrift

Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
38116 Braunschweig