In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung - PTB

Nachrichten des Jahres • Fachabteilungen
Skalierbare quantisierte Ströme durch
Parallelschaltung von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen
Die Neudefinition einiger Basiseinheiten des
Internationalen Einheitensystems durch die
Festlegung von Fundamentalkonstanten wird
für die nächsten Jahre ins Auge gefasst. Dabei
soll das Ampere, die Einheit der Stromstärke,
basierend auf der Elementarladung e definiert
werden. Eine Möglichkeit für die Darstellung
des Ampere gemäß der neuen Definition bieten
Einzelelektronenpumpen, die daher zurzeit
intensiv untersucht und weiterentwickelt
werden. Betrieben bei einer Pumpfrequenz f,
liefern Einzelelektronenpumpen einen quantisierten
Strom I = n · e · f. Dabei ist n die pro
Pumpzyklus transportierte Anzahl von Elementarladungen.
Für praktische Anwendungen sind quantisierte
Ströme im Nanoampere-Bereich wünschenswert.
Wird pro Pumpzyklus nur ein Elektron
transportiert, muss dazu die Pumpfrequenz im
Bereich von 10 GHz liegen. Bei solchen hohen
Pumpfrequenzen kann sich jedoch die Unsicherheit
der quantisierten Strömstärke erhöhen.
Ein alternatives Konzept zur Erhöhung
der Stromstärke setzt daher darauf, bei moderaten
Frequenzen von 100 MHz bis 1 GHz
die pro Pumpzyklus transportierte Elektronenzahl
n durch den parallelen Betrieb mehrerer
Einzelelektronenpumpen zu erhöhen.
Halbleiter-Einzelelektronenpumpen sind vielversprechende
Bausteine für die Realisierung
dieses Parallelbetriebs. Diese Bauelemente bestehen
aus zweidimensionalen GaAs/AlGaAs-
Schichten, in denen mit Hilfe von Ätzverfahren
ein eindimensionaler Kanal definiert wird. Metallische
Elektroden erlauben es, Spannungen
an die Struktur anzulegen und damit das Potential
in dem Kanal so zu modulieren, dass
einzelne Elektronen durch den Kanal transportiert
werden. Umfangreiche experimentelle und
theoretische Untersuchungen haben gezeigt,
dass eine solche Einzelelektronenpumpe mit
nur einer hochfrequenten Modulationsspannung
betrieben werden kann und über einen
weiten Bereich der Betriebsparameter stabil arbeitet.
Theoretisch werden Unsicherheiten des
quantisierten Stroms unter 10 –8 bei Frequenzen
bis zu 1 GHz vorausgesagt.
Im Berichtsjahr wurde eine Parallelschaltung
aus vier Einzelelektronenpumpen hergestellt
12
Scalable quantised currents through the parallel
circuiting of semiconductor single-electron
pumps
In the next few years, it is envisaged to redefine
some of the base units of the International System
of Units by fixing the value of fundamental
constants. Thereby, it is intended to define
the ampere – the unit of current – on the basis
of the elementary charge e. One possibility of
realising the ampere according to the new definition
is to use single-electron pumps – which
are, therefore, currently being intensively investigated
and developed. When operated at a
pump frequency f, single-electron pumps provide
a quantised current I = n · e · f. Here, n is
the number of elementary charges transported
per pump cycle.
For practical applications, quantised currents
in the nanoampere range are desirable. If only
one electron is transported per pump cycle,
the pump frequency must be in the range of
10 GHz. At such high pump frequencies, the
uncertainty of the quantised current may, however,
increase. An alternative concept for increasing
the current therefore consists in increasing
the number of electrons n transported per
cycle at moderate frequencies from 100 MHz
to 1 GHz by operating several single-electron
pumps in parallel.
Promising components for such a parallel
operation are semiconductor single-electron
pumps. These components consist of twodimensional
GaAs/AlGaAs layers in which
a one-dimensional channel is defined by means
of etching procedures. Metallic electrodes
make it possible to apply voltages to the structure
and, thus, to modulate the potential within
the channel in such a way that single electrons
are transported through the channel. Extensive
experimental and theoretical investigations
have shown that such single-electron pumps
can be operated with just one high-frequency
modulation voltage and work stably over a
wide range of the operating parameters. Theoretically,
the quantised current is expected to
have uncertainties below 10 –8 at frequencies of
up to 1 GHz.
In the year under report, a parallel circuit made
of four single-electron pumps was set up (see
Figure), of which three were fully functional.
For the first time, it was possible to show that
three semiconductor single-electron pumps