Kvanttinormaaleja grafeenista

VTT MIKES metrologia toteuttaa kvanttinormaalit resistanssille ja impedanssille grafeenin avulla.

Resistanssin kvanttinormaali perustuu kvantti-Hall-ilmiöön kaksiulotteisessa elektronikaasussa, joka muodostetaan yleensä monikerroksisten puolijohderakenteiden avulla. Viime vuosina on kuitenkin havaittu, että hiilen kaksiulotteinen muoto, grafeeni, soveltuu puolijohteita paremmin kvantti-Hall-normaalin materiaaliksi. MIKESissä kehitetään grafeeniin perustuvia kvanttinormaaleja resistanssille ja impedanssille.

Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto (BIPM) teki äskettäin ensimmäiset grafeenilla toteutettujen kvantti-Hall-resistanssinormaa-lien tarkkuusmittauksensa omissa tiloissaan yhteistyössä MIKESin kanssa. Tulokset osoittivat, että grafeenirakenne antaa hyvin suurella tarkkuudella saman resistanssin arvon kuin perinteinen GaAs-moni-kerrosrakenne. MIKES oli kehittänyt mit-tauksissa käytetyt grafeenikomponentit yhdessä Aalto-yliopiston kanssa. Kytkemällä useita kvantti-Hall-grafeenielementtejä yhteen voidaan toteuttaa resistanssinormaaleja muillekin resistanssin arvolle kuin yhdestä elementistä saatavalle kvantti-Hall-resistanssille RH = h/2e2 » 12,906 kW. MIKES on tehnyt ensimmäiset tarkkuusmittaukset resistanssinormaalilla, jossa on neljä grafeenielementtiä sarjassa, ja juuri julkaistavaksi lähetetyt tulokset ovat hyvin lupaavia.

Tasavirtamittauksista saatujen hyvien tulosten innoittamina MIKES on yhdessä Saksan metrologialaitoksen PTB:n kanssa tutkinut grafeenin soveltuvuutta vaihtovirtamittauksiin. PTB:ssä tehdyissä ensimmäisissä kvantti-Hall-ilmiön vaihtovirtamittauksissa osoitettiin, että grafeeni ominaisuuksiltaan soveltuu jopa perinteisiä GaAs-rakenteita paremmin impedanssinormaalin toteuttamiseen, mm. pienempien häviöidensä vuoksi.

Tähän mennessä saadut tulokset ovat hyvin lupaavia. On todennäköistä, että grafeenin avulla voidaan lähitulevaisuudessa toteuttaa resistanssille ja impedanssille luonnonvakioihin perustuvat kvanttinormaalit, jotka toimivat nykyisiä kvanttinormaaleja matalammissa magneettikentissä ja korkeammissa lämpötiloissa. Ne ovat yksinkertaisempia ja edullisempia toteuttaa sekä ennen kaikkea huomattavasti helpompia käyttää kuin nykyiset GaAs-monikerrosrakenteet.

Alexandre Satrapinski
 
C.-C. Kalmbach, J. Schurr, F. J. Ahlers, A. Müller, S. Novikov, N. Lebedeva, and A. Satrapinski, “Towards a graphene-based quantum impedance standard”, Appl. Phys. Lett. 105, 073511 (2014). http://dx.doi.org/10.1063/1.4893940
S. Novikov, N. Lebedeva, K. Pierz, and A. Satrapinski, “Fabrication and Study of Large-Area QHE Devices Based on Epitaxial Graphene”, IEEE Trans. Instrum. Meas 64(6), 1533–1538 (2015). http://dx.doi.org/10.1109/TIM.2014.2385131
S. Novikov, N. Lebedeva, J. Hämäläinen, I. Iisakka, P. Immonen, A.J. Manninen, and A. Satrapinski, “Mini array of quantum Hall devices based on epitaxial graphene”, submitted for publication (2015).