En balanceret kvante Hall-modstand giver en ny målemetode

Forskere ved universitetet i Würzburg har udviklet en metode, der kan forbedre ydeevnen af ​​kvanteresistensstandarder. Den er baseret på et kvantefænomen kaldet Quantum Anomalous Hall effect.

Den præcise måling af elektrisk modstand er afgørende i industriel produktion eller elektronik - for eksempel ved fremstilling af højteknologiske sensorer, mikrochips og flyvekontroller. "Meget præcise målinger er afgørende her, da selv de mindste afvigelser kan påvirke disse komplekse systemer betydeligt," forklarer professor Charles Gould, fysiker ved Institut for Topologiske Isolatorer ved Universitetet i Würzburg (JMU).

"Med vores nye målemetode kan vi markant forbedre nøjagtigheden af ​​modstandsmålinger uden noget eksternt magnetfelt ved at bruge den kvante anomale Hall-effekt (QAHE)."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Electronics .

Sådan fungerer den nye metode

Mange husker måske den klassiske Hall-effekt fra deres fysiktimer:Når en strøm løber gennem en leder, og den udsættes for et magnetfelt, skabes en spænding - den såkaldte Hall-spænding. Hall-modstanden, opnået ved at dividere denne spænding med strøm, stiger, når den magnetiske feltstyrke øges.

I tynde lag og ved store nok magnetiske felter begynder denne modstand at udvikle diskrete trin med værdier på præcis h/ne ² , hvor h er Plancks konstant, e er den elementære ladning, og n er et helt tal. Dette er kendt som kvante Hall-effekten, fordi modstanden kun afhænger af naturens fundamentale konstanter (h og e), hvilket gør den til en ideel standardmodstand.

Det særlige ved QAHE er, at det tillader kvante Hall-effekten at eksistere ved nul magnetfelt. "Operationen i mangel af et eksternt magnetfelt forenkler ikke blot eksperimentet, men giver også en fordel, når det kommer til at bestemme en anden fysisk størrelse:kilogrammet. For at definere et kilogram skal man måle den elektriske modstand og spændingen kl. på samme tid," siger Gould, "men måling af spændingen fungerer kun uden et magnetfelt, så QAHE er ideel til dette."

Hidtil er QAHE kun målt ved strømme, der er alt for lave til praktisk metrologisk brug. Årsagen til dette er et elektrisk felt, der forstyrrer QAHE ved højere strømme. Würzburg-fysikerne har nu udviklet en løsning på dette problem.

"Vi neutraliserer det elektriske felt ved hjælp af to separate strømme i en geometri, vi kalder en multi-terminal Corbino-enhed," forklarer Gould. "Med dette nye trick forbliver modstanden kvantificeret til h/e ² op til større strømme, hvilket gør modstandsstandarden baseret på QAHE mere robust."

På vej til praktisk anvendelse

I deres feasibility-undersøgelse var forskerne i stand til at vise, at den nye målemetode fungerer på det præcisionsniveau, der tilbydes af grundlæggende DC-teknikker.

Deres næste mål er at teste gennemførligheden af ​​denne metode ved hjælp af mere præcise metrologiske værktøjer. Til dette formål arbejder Würzburg-gruppen tæt sammen med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Det tyske nationale metrologiinstitut, PTB), som er specialiseret i denne form for ultrapræcise metrologiske målinger.

Gould bemærker også, "Denne metode er ikke begrænset til QAHE. I betragtning af, at den konventionelle kvante-Hall-effekt oplever lignende elektriske feltdrevne begrænsninger ved tilstrækkeligt store strømme, kan denne metode også forbedre de eksisterende topmoderne metrologiske standarder til applikationer, hvor endnu større strømme er nyttige."

Flere oplysninger: Kajetan M. Fijalkowski et al., A balanced quantum Hall resistor, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01156-6

Journaloplysninger: Naturelektronik

Leveret af Julius-Maximilians-Universität Würzburg