Traceable measurement for a quantum current source

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKemppinen, Antti
dc.contributor.advisorMaisi, Ville
dc.contributor.authorMykkänen, Emma
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorPekola, Jukka
dc.date.accessioned2013-12-19T08:49:34Z
dc.date.available2013-12-19T08:49:34Z
dc.date.issued2013
dc.description.abstractThe 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.en
dc.description.abstractKansainvälinen 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.fi
dc.format.extent5 + 42 s.
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/11882
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201312198152
dc.language.isoenen
dc.programme.majorFysiikkafi
dc.programme.mcodeTfy-3
dc.rights.accesslevelopenAccess
dc.subject.keywordkvanttivirtalähdefi
dc.subject.keywordjäljitettävä mittausfi
dc.subject.keywordSINIS SETfi
dc.subject.keywordquantum current sourceen
dc.subject.keywordtraceable measurementen
dc.subject.keywordSINIS turnstileen
dc.titleTraceable measurement for a quantum current sourceen
dc.titleJäljitettävä virtamittaus kvanttivirtalähteellefi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.digifolderAalto_04638
local.aalto.idinssi47297
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_mykkänen_emma_2013.pdf
Size:
6.28 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description: