Kvanttimetrologia

Tutkimustyö sähkösuureiden kvanttimetrologiassa tähtää metrologian yleiseen tavoitteeseen: SI-mittayksikköjärjestelmän uudistamiseen niin, että kaikkien yksiköiden määritelmät perustuvat luonnonvakioihin tai atomien ominaisuuksiin. Sähkösuureiden mittayksiköt pystytään sitomaan kahteen luonnonvakioon - alkeisvaraukseen (e) ja Planckin vakioon (h) - kvanttinormaalien avulla. Jännitteen mittayksikön, voltin, kvanttinormaali perustuu suprajohteissa esiintyvään Josephson-ilmiöön ja nyt menetelmää ollaan laajentamassa vaihtojännitteisiin. Resistanssin mittayksikkö, ohmi, voidaan toteuttaa 2-dimensioisessa elektronikaasussa esiintyvän kvantti-Hall-ilmiön avulla ja nyt tutkimuskohteena on grafeenin käyttö tähän tarkoitukseen. Sähkövirran mittayksikön, ampeerin, kvanttinormaali voidaan toteuttaa yksittäisiä elektroneita pumppaamalla ja sen toteuttaminen käytännössä on aktiivinen kansainvälinen tutkimuskohde. MIKES kehittää erityisesti SINIS-porttia, joka on suprajohtavista elektrodeista ja nanokokoisesta normaalimetallisaarekkeesta muodostuva rakenne, jonka läpi elektroneita voidaan kuljettaa kontrolloidusti yksitellen. Tutkimuksellisena päämääränä on niinsanotun kvanttimetrologiakolmion sulkeminen eli sen osoittaminen, että jännitteen, resistanssin ja sähkövirran kvanttinormaalit ovat keskenään ristiriidattomia alle 0,1 miljoonasosan epävarmuustasolla.

Alueen tutkimusprojekteja

  • Kvanttimetrologiakolmio
  • Kvanttiampeeri: uuden SI-ampeerin toteuttaminen
  • Yksittäisten mikroaaltofotonien havaitseminen SINIS-nanorakenteen avulla
  • Josephson-ilmiöön perustuva vaihtojännitteen kvanttinormaali
  • Josephson-ilmiön hyödyntäminen impedanssimetrologiassa
  • Kvanttinormaali näytteistämällä tehtäviä sähkömittauksia varten
  • Grafeeni resistanssimetrologiassa

Yhteistyökumppaneita

  • Aalto-yliopisto / O.V. Lounasmaa -laboratorio
  • Aalto-yliopisto / Mikro- ja nanotekniikan laitos
  • PTB