Forskare vid universitetet i Würzburg har utvecklat en metod som kan förbättra prestanda för kvantresistensstandarder. Den är baserad på ett kvantfenomen som kallas Quantum Anomalous Hall effect.
Den exakta mätningen av elektriskt motstånd är avgörande i industriell produktion eller elektronik, till exempel vid tillverkning av högteknologiska sensorer, mikrochips och flygkontroller. "Mycket exakta mätningar är viktiga här, eftersom även de minsta avvikelserna kan påverka dessa komplexa system avsevärt", förklarar professor Charles Gould, fysiker vid Institutet för topologiska isolatorer vid universitetet i Würzburg (JMU).
"Med vår nya mätmetod kan vi avsevärt förbättra noggrannheten i resistansmätningar, utan något externt magnetfält, genom att använda den kvantanomala Hall-effekten (QAHE)."
Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Electronics .
Många minns kanske den klassiska Hall-effekten från sina fysiklektioner:När en ström flyter genom en ledare och den utsätts för ett magnetfält skapas en spänning – den så kallade Hallspänningen. Hallresistansen, som erhålls genom att dividera denna spänning med ström, ökar när magnetfältets styrka ökar.
I tunna lager och vid tillräckligt stora magnetfält börjar detta motstånd utvecklas diskreta steg med värden på exakt h/ne 2 , där h är Plancks konstant, e är elementärladdningen och n är ett heltal. Detta är känt som quantum Hall-effekten eftersom resistansen endast beror på naturens fundamentala konstanter (h och e), vilket gör den till ett idealiskt standardmotstånd.
Det speciella med QAHE är att den tillåter kvanthalleffekten att existera vid noll magnetfält. "Operationen i avsaknad av något externt magnetfält förenklar inte bara experimentet, utan ger också en fördel när det gäller att bestämma en annan fysisk storhet:kilogram. För att definiera ett kilogram måste man mäta det elektriska motståndet och spänningen vid samtidigt", säger Gould, "men att mäta spänningen fungerar bara utan ett magnetfält, så QAHE är idealisk för detta."
Hittills har QAHE endast mätts vid strömmar som är alldeles för låga för praktisk metrologisk användning. Anledningen till detta är ett elektriskt fält som stör QAHE vid högre strömmar. Würzburg-fysikerna har nu utvecklat en lösning på detta problem.
"Vi neutraliserar det elektriska fältet med två separata strömmar i en geometri som vi kallar en multiterminal Corbino-enhet", förklarar Gould. "Med detta nya trick förblir motståndet kvantifierat till h/e 2 upp till större strömmar, vilket gör motståndsstandarden baserad på QAHE mer robust."
I sin förstudie kunde forskarna visa att den nya mätmetoden fungerar på den precisionsnivå som erbjuds av grundläggande DC-tekniker.
Deras nästa mål är att testa genomförbarheten av denna metod med hjälp av mer exakta metrologiska verktyg. För detta ändamål arbetar Würzburg-gruppen nära med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Tyska nationella metrologiinstitutet, PTB), som är specialiserade på denna typ av ultraexakta metrologiska mätningar.
Gould noterar också, "Denna metod är inte begränsad till QAHE. Med tanke på att konventionell kvant Hall-effekt upplever liknande elektriska fältdrivna begränsningar vid tillräckligt stora strömmar, kan denna metod också förbättra de befintliga toppmoderna metrologiska standarderna, för tillämpningar där ännu större strömmar är användbara."
Mer information: Kajetan M. Fijalkowski et al, A balanced quantum Hall resistor, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01156-6
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Julius-Maximilians-Universität Würzburg
