Das Halbleiter-Quanten-Volt

10. Dezember 2013, 14:36 Uhr
Das Halbleiter-Quanten-Volt
Das Halbleiter-Quanten-Volt

Elektronik ist heute fast durchweg Halbleitertechnik. Das galt bisher noch nicht für die genauesten Normale für die Messung von Spannungen. Jetzt aber gibt es hier auch Halbleiter-Versionen: Nach Quanten-Ohm und Quanten-Ampere kommt nun das Quanten-Volt. Als Alternative zu supraleitenden Josephson-Kontakten, haben Wissenschaftler der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) eine Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle entwickelt. Das „Quanten-Volt“ könnte helfen, das sogenannte quantenelektrische Dreieck zu schließen und Relevanz für die geplante Neufassung eines nur auf Fundamentalkonstanten beruhenden internationalen Einheitensystems haben.

 
Wer elektrische Einheiten hochgenau messen will, der misst sie quantenweise. Dazu nutzt man in geschickter Weise das Zusammenspiel des Planck'schen Wirkungsquantums h und der Elementarladung e, die in verschiedenen Kombinationen die Basis von Quantennormalen der drei elektrischen Einheiten bilden. Das „Quanten-Ohm“ und auch das „Quanten-Ampere“ kann man schon halbleiterbasiert herstellen - nun auch das „Quanten-Volt“.

 
Grundlage hierfür ist eine Einzelelektronenpumpe, die von einer Wechselspannung der Frequenz f angetrieben wird und einen Strom der Größe I = e * f erzeugt. Die Einzelelektronenpumpe wurde in einem IC mit einem Quanten-Hall-Widerstand kombiniert. Das Ergebnis ist eine quantisierte Ausgangsspannung von Vout = (h/e) * f. Diese Spannung ist im Prinzip identisch mit der einer supraleitenden Josephson-Schaltung, beruht allerdings auf anderen physikalischen Effekten. Zum Betrieb der im Bild schematisch dargestellten Quanten-Spannungsquelle sind zwei Gleichspannungen und eine Hochfrequenz-Wechselspannung zur Kontrolle der Einzelelektronenpumpe nötig. Die Schaltung zeigt eine robuste Quantisierung der Ausgangsspannung bis zu Frequenzen von einigen Gigahertz. Auf diese Weise können hochgenaue Ausgangsspannungen bis zu 10 µV erzeugt werden. An höheren Spannungen wird derzeit noch gearbeitet.

 

Bild: PTB

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