Deutlich reduzierte Messunsicherheit
Die Verringerung der relativen Unsicherheit unter den gegenwärtigen Wert von 9,2x10-7 [1] erfordert validierte quantisierte Stromquellen mit stark skalierten Ausgangsströmen - ein Schwerpunkt der Aktivitäten von QuantumFrontiers. Forschende der PTB, der TU Braunschweig und der Leibniz Universität Hannover haben hier signifikante Fortschritte erzielt und damit den Grundstein für ein neues quantenmetrologisches Dreieck mit deutlich reduzierter Unsicherheit gelegt. Sie bestätigten die Universalität der Tunneldynamik moderner Einzelelektronenpumpen [2] durch den Nachweis einzelner Ladungen [3, 4]. Außerdem entwickelten sie auf der Grundlage synchronisierter Bloch-Oszillationen [5] die erste supraleitende Quantenstromquelle, welche deutlich höhere quantisierte Ströme ermöglicht.
Erfolgreicher Transfer in andere Wissenschaftsbereiche
Das Team führte den gründlichsten Universalitätstest des Quanten-Hall-Effekts durch und erreichte eine unübertroffene Präzision bei der Messung der Hall-Quantisierung von Elektronen, Löchern, Dirac-Fermionen und Randzuständen topologischer Isolatoren mit einer Unsicherheit von wenigen als 10-9 [6]. Die Ergebnisse basieren auf hochwertigen Quantenmaterialien, die im Rahmen der ersten Förderperiode von QuantumFrontiers entwickelt wurden und von epitaktischem Graphen [7] bis zu Hochtemperatur-Supraleitern [8] reichen. Die Konzepte, Materialien und Geräte der elektrischen Quantenmetrologie wurden erfolgreich auf andere wissenschaftliche Bereiche übertragen. Beispielsweise wurden Einzelelektronenpumpen und Detektoren in einem Hong-Ou-Mandel-Typ Elektronenquantenoptik-Kollisionsexperiment mit bedarfsgesteuerten Fermionen eingesetzt [9]. Mit tragbaren Josephson-Normalen wurden Penning-Fallen stabilisiert [10] und die Magnetströme von Teilchenbeschleunigern am Large Hadron Collider (LHC) des CERN mit hoher Luminosität präzise gemessen [11].
Dieser Artikel ist Teil einer Serie über die Erfolge von QuantumFrontiers
Hochtemperatursupraleiter ermöglichten die TeraHertz-Mikroskopie [8], und hochwertiges epitaktisches Graphen erlaubte die Beobachtung von Floquet-Zuständen [12]. Darüber hinaus wurde das Konzept eines metrologischen Gravitationsdreiecks als Quantentest des schwachen Äquivalenzprinzips vorgeschlagen [13]. Diese Errungenschaften verdeutlichen die weitreichenden Auswirkungen von QuantumFrontiers auf Wissenschaft und Technologie über die elektrische Messtechnik hinaus.
Publikationen
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Literaturliste
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