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Single-Hole Pumping in Silicon

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Kleine Quantenvorrichtung zur Neudefinition von Ampere

EU-finanzierten Wissenschaftlern ist es gelungen, einen Fortschritt zu erzielen, um das Ampere in Bezug auf fundamentale Konstanten der Physik neu zu definieren. Die neu entwickelte mikroskopische Vorrichtung, die auf der Kontrolle einzelner Elektronenladungen beruht, wurde als eines der bisher genauesten Verfahren zur Messung kleiner Ströme bezeichnet.

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Der Bedarf an immer genaueren und zuverlässigeren Messungen hat in den letzten Jahrzehnten zu einer Verschiebung hin zu Standards geführt, die auf fundamentalen Mengen der Natur basieren. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts SINHOPSI haben Forscher der Universität Cambridge, des National Physical Laboratory, der Aalto-Universität und der University of New South Wales gemeinsam eine neue Quantentechnologie entwickelt, die sich für die Entwicklung eines neuen Standards für elektrischen Strom auf der Basis von Elektronenladungen als entscheidend erweisen könnte. Experimentelle Demonstrationen haben den Stand der Technik sowohl bei der präzisen elektrischen Stromerzeugung als auch bei der Fernüberwachung von Einzelladungen vorangetrieben. „Quantenbasierte Systeme gelten als die stabilsten und zuverlässigsten messtechnischen Werkzeuge, da sie durch ihre mathematische Beschreibung stark mit fundamentalen Konstanten verknüpft werden können“, sagt Dr. Alessandro Rossi. Abkehr von physikalischen Artefakten Das internationale Einheitensystem (SI) definiert sieben Größen, die als Bausteine der Physik gelten. Dieses System entwickelt sich weiter und verändert sich, wenn neue Erkenntnisse und Messbedürfnisse entstehen. „Wir befinden uns inmitten einer Revolution der Metrologie, in der alle sieben Basiseinheiten – Meter, Kilogramm, Sekunde, Kelvin, Ampere, Mol und Candela – letztlich an unveränderlichen Konstanten der Natur verankert sein werden“, sagt Dr. Rossi. „Diese Definitionen sollten im Zeitablauf stabil sein, universell reproduzierbar und nicht auf Objekten basieren, die ihre Form verändern, ihre Integrität verlieren oder ihre Eigenschaften mit der Zeit verändern.“ Die meisten SI-Basiseinheiten haben jetzt eine klare physikalische Definition, genau wie der Meter, der durch die Entfernung definiert wird, die das Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Allerdings ist die Definition des Ampere anfällig für Instabilität. Im Moment ist ein Ampere definiert als der konstante Strom, der in zwei schmalen, unendlich langen, parallelen Leitern fließt, die im Vakuum einen Meter weit auseinander liegen und eine Kraft von 2×10–7 Newton pro Meter Länge erzeugen. „Diese 70 Jahre alte Formulierung ist jedoch umständlich, ungenau und lässt sich nicht in einem realen Experiment umsetzen, ohne Kompromisse bei der Annäherung einzugehen“, so Dr. Rossi. Neuartige transistorähnliche Vorrichtung Um das Ampere neu zu definieren, haben die Wissenschaftler nun einen neuen Ansatz gewählt, der auf der Herstellung nanometergroßer quantenelektronischer Vorrichtungen und deren Betrieb bei nahezu absoluten Nulltemperaturen basiert. Diese Vorrichtungen werden als Einzelelektronenpumpen bezeichnet, da sie genau ein Elektron auf einmal emittieren und eine höhere Genauigkeit und Stabilität bei der Stromerzeugung versprechen als jede andere Vorrichtung. Diese Technologie wird eine neue Definition des Ampere als den Strom in der Flussrichtung einer bestimmten Anzahl von Elektronen pro Sekunde ermöglichen. Der zuverlässigste Typ dieser Vorrichtungen verwendet elektrostatisch definierte Quantenpunkte, d. h. kleine Bereiche eines Halbleitermaterials, in denen einzelne Elektronen nach Belieben eingefangen und freigesetzt werden können. Für die Herstellung der Einzelelektronenpumpe haben die SINHOPSI-Wissenschaftler Silizium-Nanotransistoren verwendet, die gegenüber konkurrierenden Technologien einen Vorsprung haben. „Die Neuerung dieser Vorrichtungen beruht auf der Fähigkeit, die Größe des Quantenpunktes sorgfältig abzustimmen, was zu einer deutlichen Verbesserung der Stromgenauigkeit führt“, erklärt Dr. Rossi. SINHOPSI hat Einzelelektronenpumpen auf Basis von Silizium-Nanoelektronik entwickelt und getestet die zu den genauesten der heutigen Zeit gehören. Insbesondere haben Wissenschaftler berichtet, dass diese neu entwickelten Vorrichtungen einen Strom mit 0,16x10-9 Ampere mit einer Genauigkeit auf einem Niveau von 0,27 Teilen pro Million erzeugen können, dreimal genauer als jene, die den bisherigen Weltrekord aufgestellt haben. „Wenn wir bedenken, was das auf der Ebene der Einzelelektronen bedeutet, können wir sagen, wir schaffen es pro Sekunde, eine Milliarde Elektronen mit einer Fehlerquote von 270 Elektronen oder weniger zu isolieren und zu übertragen. Kein anderes nanoelektronisches System ist so schnell und so genau“, sagt Dr. Rossi. Aerosolzählung Neben den weitreichenden Implikationen, die sich aus der Neudefinition der Ampereeinheit ergeben, könnte sich die neuartige Pumpe unter anderem bei der Bestimmung der Radioaktivität in Ionisationskammern und der Zählung von Aerosolpartikeln in der Luft als nützlich erweisen. In beiden Fällen können die in SINHOPSI neu entwickelten stabilen Referenzstromquellen die Genauigkeit und Verfügbarkeit der Kalibrierung kleiner Ströme deutlich verbessern.

Schlüsselbegriffe

SINHOPSI, Ampere, Einzelelektronenpumpe, elektrischer Strom, Elektronenladung, Quantenpunkt, Quantenmechanik, Nanotransistoren, Silizium, Aerosolzählung

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