Traceable measurement for a quantum current source
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2013
Department
Major/Subject
Fysiikka
Mcode
Tfy-3
Degree programme
Language
en
Pages
5 + 42 s.
Series
Abstract
The International System of Units (SI) is planned to be changed so that it would be defined by fixing the values of certain invariants of nature. This would, however, need a new realization of kilogram and also consistency check between quantum standards of the volt, the ohm and the ampere. The latter is usually referred as the quantum metrological triangle experiment. The quantum standards of the volt and the ohm have existed already for a few decades, but the standard for the ampere is yet to be realized with high enough accuracy and current. There are many candidates for the current standard, from which we focus on the SINIS turnstile. While we are still working to complete the quantum metrological triangle, a traceable measurement can reveal problems in the operation of the turnstile that have been neglected in previous considerations. In this thesis, we did the traceable measurement as a current balance experiment, where the current of the SINIS turnstile is compared to that generated by calibrated equipment. We calculated the error budget for the measurement setup. In addition, we investigated the noise in the measurement, and optimized the length of a measurement cycle. In conclusion, ultimately, the uncertainty of the measurement is limited by that of the reference current (22 - 32 ppm depending on the current itself). This uncertainty can be reached in realistic averaging times for realistic currents (e.g. around or above 10 pA and a week). A dc SET electrometer can characterize the error rates of the SINIS turnstile up to an upper limit. If the uncertainty of the traceable measurement would be below this limit, these two measurements could together characterize the whole range of error rates of the turnstile. We compared the theoretical upper limit of the dc SET electrometer to the total uncertainty of the traceable measurement and concluded that there is no gap between the feasibility ranges of the two methods as long as the current of the turnstile is below 100 pA. Minimizing the known error sources of the SINIS turnstile requires high resolution electron beam lithography and impurity free metallization. Unfortunately, we had technical problems with both of these during this thesis. Therefore we could only test the traceable measurement with currents below 1 pA, which resulted in high uncertainty (around 500 - 1000 ppm). However, at said uncertainty the current of the SINIS turnstile did not show deviation from the expected.Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) on tarkoitus määritellä tulevaisuudessa kiinnittämällä seitsemän luonnonvakion arvo. Ennen SI-yksikköjärjestelmän uudistamista on kuitenkin löydettävä luotettava tapa realisoida kilogramma luonnonvakioihin perustuen. SI-yksikköjärjestelmän uskottavuuden kannalta olisi myös tärkeää, jos voltin, ohmin ja ampeerin kvanttimittanormaaleja pystyttäisiin vertaamaan toisiinsa tarkasti niin sanotun kvanttimetrologiakolmiokokeen avulla. Voltin ja ohmin kvanttimittanormaalit on tunnettu jo muutaman vuosikymmenen ajan, mutta samanlaista mittanormaalia ei toistaiseksi ole pystytty toteuttamaan ampeerille siten, että se olisi samaan aikaan tarpeeksi tarkka ja tuottaisi riittävän suuren virran. Kvanttivirtalähdettä on yritetty toteuttaa monin eri tavoin. Tämä työ käsittelee yhtä lupaavaa lähestymistapaa: SINIS-porttia. Sillä aikaa kun kvanttimetrologiakolmiokoetta rakennetaan, SINIS-portin toimintaan liittyviä mahdollisia virheitä pystytään tutkimaan jäljitettävän mittauksen avulla. Tässä työssä jäljitettävä mittaus toteutettiin vertaamalla SINIS-portin virtaa MIKESin pienten virtojen kansalliseen mittanormaaliin käyttämällä pienikohinaista virtavahvistinta nollailmaisimena. Mittauksen kokonaisepävarmuus riippui virrasta ja keskiarvoistusajasta, mutta läheni realistisilla arvoilla (esim. yli 10 pA virta ja viikon keskiarvoistusaika) referenssivirran epävarmuutta (22 - 32 miljoonasosaa). Epävarmuuden laskemisen lisäksi työssä määritettiin mittauskierroksen optimaalinen pituus. Lisäksi havaittiin, että 100 pA pienemmillä virroilla jäljitettävän mittauksen epävarmuuden ja virheiden laskuun käytettävän tasajännitteellä toimivan yhden elektronin transistori (SET) elektrometrin toiminnan ylärajan väliin ei jäänyt aukkoa. Tämä tarkoittaa sitä, että periaatteessa kaikki virheet on mahdollista havaita tällä alueella. SINIS-portin jo tunnettujen virheiden minimointi vaatii elektronisuihkulitografiakirjoitinta (EBL-kirjoitin), jonka resoluutio on korkea, ja lisäksi metallisointia, joka on vapaa epäpuhtauksista. Valitettavasti tämän työn aikana molemmissa oli teknisiä ongelmia. Tästä syystä jäljitettävää mittausta pystyttiin testaamaan ainoastaan hyvin pienillä, alle 1pA, virroilla, minkä takia kokonaisepävarmuus jäi suureksi (500 - 1000 miljoonasosaa (ppm)). Tällä tasolla mittaustulokset eivät kuitenkaan poikenneet odotetusta.Description
Supervisor
Pekola, JukkaThesis advisor
Kemppinen, AnttiMaisi, Ville
Keywords
kvanttivirtalähde, jäljitettävä mittaus, SINIS SET, quantum current source, traceable measurement, SINIS turnstile