Bijna de gehele elektronica werkt met halfgeleiders. Dat gold ook voor de precisie-meettechniek, met uitzon-dering van de nauwkeurigste normaal voor spannings-metingen, de kwantum-spanningsnormaal. Nu komen ook hier halfgeleiders in beeld. Na de kwantumohm en de kwantumampére komt nu de kwantumvolt in zicht. Onderzoekers van de Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hebben een kwantumspanningsbron op basis van halfge-leidertechnologie ontwikkeld als alternatief voor de Josephson-contacten die met behulp van supergeleiding functioneren.
De nieuwe kwantumvolt zou kunnen helpen om de zogenaamde kwantum-elektrische driehoek te sluiten. Dit zou van grote betekenis zijn voor de nieuwe SI, de geplande nieuwe herziening van een slechts op fundamentele constantes berustend internationale eenhedenstelsel.
Kwantumtechnologie
Wie de elektrische grootheden met de hoogste nauwkeurigheid wil meten, meet deze op de kwantummanier. In meteorologische instituten zoals PTB gebruikt men daarbij op een slimme manier het samenspel van twee fundamentele constanten: die van de Planckse werkingsquantum h en de elementaire lading e.
Deze spelen in verschillende combinaties de hoofdrol in de kwantumnormaal voor alle drie de elektrische eenheden. Twee daarvan, de kwantumohm en de kwantumampére (als officiële kwantumnormaal nog in opkomst) worden al uit halfgeleidermateriaal opgebouwd. Nu komt ook de kwantumvolt uit dit materiaal er bij.
Basis voor de nieuwe halfgeleider kwantumspanningsbron is een aparte elektronenpomp, die wordt gevoed met een wisselspanning met een frequentie f en die een stroom levert ter grootte van: I = e x f. De aparte elektronenpomp werd geïntegreerd op een halfgeleiderschakeling en gecombineerd met een kwantum Hall-weerstand.
Het resultaat is een uitgangsspanning Vout = (h / e x f. Interessant genoeg is deze uitgangsspanning in pricipe gelijk aan die van een supergeleidende Josephson-schakeling, maar berust op totaal andere fysische effecten.
Principeschets van de halfgeleider kwantumspanningsbron. Via een smal halfgeleiderkanaal liggen drie controle-elektroden G1 tot G3 naast elkaar, waarvan er twee met gelijkspanning (V1, V2) worden aangestuurd. De aanvullende wisselspaningsmudulatie VAC op G1 zorgt voor de opwekking van de kwantumstroom, die daarop in de kwantum-Hall weerstand een kwantumspanning Vout opwekt.
Spanningsbron
Voor de werking van de kwantumspanningsbron zijn twee gelijkspanningen en een hoogfrequente wisselspanning voor de controle van de aparte elektronenpomp nodig. De halfgeleiderschakeling toont een robuste kwantisering van de uitgangsspanning tot aan frequenties van een paar gigaherz. Zo kunnen uitgangsspanningen tot 10 µV worden opgewekt.
De onderzoekers willen de uitgangsspanning in de toekomst nog beduidend omhoog brengen. Ze willen het met de factor duizend hoger maken met behulp van een parallelschakeling van meerder elektronenpompen en een serieschakeling van meerdere kwantum Hall-weerstanden op de halfge-leiderchip. Bovendien kunnen ze dan met één apparaat gekwantificeerde waarden van de drie belangrijke eenheden stroomsterkte, weerstand en spanning verkrijgen.
‘Nieuw’ SI-stelsel
Voor een bijzonder interessante toepassing zou de nieuwe spanningsbron kunnen worden samengevoegd met conventionele Josephson-contacten. Op deze manier kan door een vergelijking van twee verschillende kwantum-normalen (met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid) de zogenoemde kwantrummetrologische driehoek worden gesloten. Dat zou van groot nut kunnen zijn voor het geplande nieuwe internationale eenhedenstelsel SI, dat uitsluitend is gebaseerd op fundamentele constantes.
