A topological protected charge pump to realize the ampere
- Reference number
- FID24-0068
- Project leader
- Cedergren, Karin
- Start and end dates
- 250801-300731
- Amount granted
- 3 250 000 SEK
- Administrative organization
- RISE Borås
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The project will build competence in the area of topological insulators (TI) in Sweden, and in particular at the National Metrology Institute at RISE. This new class of materials has many potential applications, and has been the subject of intense studies since the first experimental discovery in 2007, including in the metrological community. In order to participate in the development of new applications, it is important to build knowledge and expertise in Sweden. We want to build on our long experience on quantum based metrology to develop the next generation current standards using quantum physics phenomena and new advanced materials. We will develop current standards based on the single electron pumps (SEP), using the particular properties of TI to improve the accuracy of the generated currents. Previous techniques, using semiconducting or metallic materials, have been limited by imperfections which are inherently difficult to mitigate, but the quantum mechanical properties of TI can eliminate some of these effects and improve accuracy of the current standard. In the project, we will develop and fabricate the SEPs, using the advanced nanofabrication lab at Chalmers, and the physics expertise of the Chalmers collaborators. We will then test and characterise the devices against the RISE national standards. The project will advance the metrology field in Sweden and impacts many other technology and society areas such as radiation safety and environmental monitoring.
Popular science description
I det här projektet vill vi utnyttja ett nytt topologiskt material för att utveckla en-elektron-pumpar för noggrannare realisering av strömenheten ampere. Att kunna mäta små strömmar med hög noggrannhet är viktigt för många av samhällets stora utmaningar, från klimatförändringar och miljöövervakning till hälsa och kvantteknologi. Små strömmar, mätta med extremt hög noggrannhet, ligger till grund för sensorer inom många vitt skilda områden. Personliga dosimetrar för säkert arbete inom kärnkraftsbranschen, medicinska tillämpningar för att kunna mäta och reglera stråldosen vid strålning av cancerceller, tillförlitliga mätningar av luftföroreningar och radiometri (mätning av ljus) är bara några exempel. En-elektron-pumpar genererar i dagsläget strömmar upp till ungefär 100 pA genom att transportera elektroner en och en med en kontrollerad hastighet. De är dock alltid behäftade med ett visst fel som sänker noggrannheten och som uppstår på grund av mikroskopiska mekanismer som spridning av elektroner, på grund av till exempel orenheter i materialet, och sam-tunnling av elektroner där två elektroner kommer att räknas som en. Medan traditionella en-elektron-pumpar är tillverkade i metall eller halvledare så introducerar det här projektet en specifik klass av kvantmaterial, en så kallad Weyl halvmetall som har potential att komma till rätta med vissa av de här problemen och signifikant öka noggrannheten i strömrealiseringarna. Det är ett helt nytt angreppssätt som har stor potential att revolutionera precisionen i små strömrealiseringar.