Wetenschap
Een gebalanceerde quantum Hall-weerstand biedt een nieuwe meetmethode
Onderzoekers van de Universiteit van Würzburg hebben een methode ontwikkeld die de prestaties van kwantumresistentiestandaarden kan verbeteren. Het is gebaseerd op een kwantumfenomeen genaamd Quantum Anomalous Hall-effect.
Het nauwkeurig meten van elektrische weerstand is essentieel in de industriële productie of elektronica, bijvoorbeeld bij de vervaardiging van hightech sensoren, microchips en vluchtbesturingen. "Zeer nauwkeurige metingen zijn hier essentieel, omdat zelfs de kleinste afwijkingen deze complexe systemen aanzienlijk kunnen beïnvloeden", legt professor Charles Gould uit, natuurkundige aan het Instituut voor Topologische Isolatoren van de Universiteit van Würzburg (JMU).
"Met onze nieuwe meetmethode kunnen we de nauwkeurigheid van weerstandsmetingen aanzienlijk verbeteren, zonder enig extern magnetisch veld, met behulp van het kwantum afwijkende Hall-effect (QAHE)."
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics .
Hoe de nieuwe methode werkt
Veel mensen herinneren zich misschien het klassieke Hall-effect uit hun natuurkundelessen:wanneer er stroom door een geleider vloeit en deze wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, ontstaat er een spanning – de zogenaamde Hall-spanning. De Hall-weerstand, verkregen door deze spanning te delen door de stroom, neemt toe naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt.
In dunne lagen en bij voldoende grote magnetische velden begint deze weerstand discrete stappen te ontwikkelen met waarden van precies h/ne 2 , waarbij h de constante van Planck is, e de elementaire lading is en n een geheel getal is. Dit staat bekend als het quantum Hall-effect omdat de weerstand alleen afhangt van fundamentele natuurconstanten (h en e), waardoor het een ideale standaardweerstand is.
Het bijzondere aan de QAHE is dat het quantum Hall-effect kan bestaan bij een magnetisch veld van nul. "De werking bij afwezigheid van enig extern magnetisch veld vereenvoudigt niet alleen het experiment, maar geeft ook een voordeel als het gaat om het bepalen van een andere fysieke grootheid:de kilogram. Om een kilogram te definiëren, moet je de elektrische weerstand en de spanning meten tegelijkertijd", zegt Gould "maar het meten van de spanning werkt alleen zonder magnetisch veld, dus de QAHE is hier ideaal voor."
Tot nu toe werd de QAHE alleen gemeten bij stromen die veel te laag zijn voor praktisch metrologisch gebruik. De reden hiervoor is een elektrisch veld dat de QAHE bij hogere stromen verstoort. De natuurkundigen uit Würzburg hebben nu een oplossing voor dit probleem ontwikkeld.
"We neutraliseren het elektrische veld met behulp van twee afzonderlijke stromen in een geometrie die we een Corbino-apparaat met meerdere aansluitingen noemen", legt Gould uit. "Met deze nieuwe truc blijft de weerstand gekwantiseerd op h/e 2 tot grotere stromen, waardoor de weerstandsstandaard op basis van QAHE robuuster wordt."
Op weg naar praktische toepassing
In hun haalbaarheidsstudie konden de onderzoekers aantonen dat de nieuwe meetmethode werkt op het precisieniveau dat wordt geboden door basis-DC-technieken.
Hun volgende doel is om de haalbaarheid van deze methode te testen met behulp van nauwkeurigere metrologische hulpmiddelen. Daartoe werkt de Würzburg-groep nauw samen met de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Duits Nationaal Metrologisch Instituut, PTB), die gespecialiseerd is in dit soort ultraprecieze metrologische metingen.
Gould merkt ook op:"Deze methode is niet beperkt tot de QAHE. Gegeven dat het conventionele kwantum Hall-effect vergelijkbare door elektrische velden aangedreven beperkingen ervaart bij voldoende grote stromen, kan deze methode ook de bestaande state-of-the-art metrologische standaarden verbeteren, voor toepassingen waarbij nog grotere stromingen zijn nuttig."