Die Erfindung betrifft einen Gyrator für Wechselstromsignale.

Ein Gyrator ist ein elektrisches Zweitorbauelement, bei dem die Spannung am Ausgang proportional zum Strom am Eingang ist, wobei das Vorzeichen der Spannung wechselt, wenn Eingang und Ausgang vertauscht werden. Ist der Strom ein Wech- selstrom, wird er somit entweder in eine gleichphasige oder in eine gegenphasige Wechselspannung umgewandelt, je nachdem an welchem Tor des Gyrators dieser Strom vorgelegt wird. Als fünftes lineares Element neben Widerstand, Kapazität, Induktivität und idealem Transformator ist er notwendig, um Zweitorbauelemente, die eine Wechselspannung nur in einer Richtung durchlassen (Isolatoren), oder Drei- oder Mehrtorbauelemente, die eine Wechselspannung an einem Tor nur zu einem in einer festen Rotationsrichtung nächsten Tor durchlassen (Zirkulatoren), zu realisieren.

Um die Umwandlung des Eingangsstroms in die Ausgangsspannung von der Stromrichtung durch den Gyrator abhängig zu machen, wird im Mikrowellenbereich die Faraday-Rotation in Ferriten unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds verwendet. Dazu ist es notwendig, dass sich eine durch den Eingangsstrom erzeugte elektromagnetische Welle in dem Ferriten ausbreitet. Der Ferrit muss daher Abmessungen von der Größenordnung der Wellenlänge haben und wird daher für Frequenzen im Radio- oder Tonfrequenzbereich unpraktikabel groß. Er arbeitet bei Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs auch nicht mehr effizient. Zudem ist jeder Gyrator durch seine physikalischen Abmessungen auf ein mehr oder weniger schmales Frequenzband festgelegt.

Alternativ lässt sich ein Gyrator auch als aktive Schaltung aus Transistoren und rückgekoppelten Operationsverstärkern realisieren. Eine solche Schaltung benötigt je- doch eine Energieversorgung und produziert sowohl Rauschen als auch Wärme. Aus der US-Patentschrift 2,649,574 ist ein passiver Gyrator für tiefere Frequenzen bekannt, bei dem die Faraday-Rotation im Ferrit durch den planaren Hall-Effekt ersetzt wird. Nachteilig werden sowohl die Einkopplung des Stroms in das Hall-Effekt- Material als auch das Abgreifen der Hall-Spannung durch hohe Kontaktwiderstände behindert, was die Effizienz des Gyrators beeinträchtigt.

Aufgabe und Lösung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Gyrator zur Verfügung zu stellen, der bei tiefen Frequenzen in der Größenordnung 1-100 MHz effizienter arbeitet als Gyra- toren nach dem bisherigen Stand der Technik. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gyrator gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Gyrator für Wechselstromsignale entwickelt. Dieser umfasst ein Hall-Effekt-Material, Mittel zum Einkoppeln eines Wechselstroms (Ii; l ₄ ) in das Hall-Effekt-Material, Mittel zur Durchsetzung des Hall-Effekt-Materials mit einem zu seiner Ebene oder Oberfläche senkrechten Magnetfeld sowie Mittel zur Umwandlung eines Stroms ( ; ), der durch den Strom senkrecht zum von erzeugten elektrischen Feld im Hall-Effekt-Material generiert wurde, in eine Ausgangs- Spannung (U ₄ ; Ui).

Wird ein Wechselstrom \^ am ersten Tor des Gyrators angelegt und durch das Hall- Effekt-Material getrieben, werden die Elektronen, die diesen Strom tragen, durch das Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung abgelenkt. Der Gesamtstrom erhält dadurch eine Komponente I3, die senkrecht auf dem von erzeugten elektrischen Feld steht. Dieser lässt sich in die Ausgangsspannung U umwandeln. Die Ausgangsspannung U ₄ lässt sich beispielsweise am Hall-Effekt-Material als Hall-Spannung senkrecht zur Richtung des Stroms abgreifen. Wird am zweiten Tor des Gyrators ein Wechselstrom l ₄ angelegt, ändert sich bei gleicher Magnetfeldrichtung auf Grund der Rechte- Hand-Regel die Richtung der durch die Ablenkung bewirkten Strom komponente . Dementsprechend kehrt sich das Vorzeichen der Ausgangsspannung U1 um. Erfindungsgemäß ist für die Einkopplung des Stroms (W, l ₄ ) in das Hall-Effekt- Material und/oder für die Umwandlung des Stroms ( ; ) im Hall-Effekt-Material in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1 ) ein Transformator zwischen mindestens einer Leiterschleife aus einem normalleitenden oder halbleitenden Material und mindestens einer Leiterschleife aus dem Hall-Effekt-Material vorgesehen.

Es wurde erkannt, dass durch den Wegfall einer ineffizienten galvanischen Kopplung des Hall-Effekt-Materials an metallische oder halbleitende Leiter die bei der Umwandlung des Eingangsstroms (W, l ₄ ) in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1 ) auftretenden dissipativen Verluste minimiert werden. Experimente der Quanteninformationsverar- beitung bei tiefen Temperaturen in der Größenordnung 10 mK sind so empfindlich, dass sie mit einem Isolator von der Messelektronik getrennt werden, damit das Messsignal vom Experiment möglichst ungestört zur Messelektronik gelangt, jedoch die Messelektronik kein Rauschen in das Experiment zurückstreut. Hierfür kommt nur ein Isolator auf der Basis eines passiven Gyrators in Frage, da ein aktiver Gyrator sowohl Wärme als auch Rauschen produziert. Gyratoren auf der Basis des Hall- Effekts nach dem bisherigen Stand der Technik sind für diesen Einsatzzweck ebenfalls nicht verwendbar, da die dissipativen Verluste das Messsignal abschwächen, unerwünschte Wärme produzieren und wie jeder ohmsche Widerstand Rauschen erzeugen. Der erfindungsgemäße Gyrator weist diese Nachteile nicht auf und ist für die beschriebenen Experimente einsetzbar. Mangels anderer verfügbarer Gyratoren und damit Isolatoren macht er etliche dieser Experimente erstmals praktikabel.

Dabei hängt der Durchgriff des Eingangsstroms (h; l ₄ ) auf die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1 ) von der Stärke des Hall-Effekts im Hall-Effekt-Material ab. Diese Stärke wird beschrieben durch den Hall-Winkel ΘΗ, um den der Gesamtstrom durch das Hall- Effekt-Material vom durch erzeugten elektrischen Feld abgelenkt ist. Vorteilhaft ist das Hall-Effekt-Material daher ein Material, das bei einer Magnetfeldstärke von 1 T einen Hall-Winkel Θ _Η von mindestens 80 Grad aufweist. Dazu umfasst das Hall- Effekt-Material vorteilhaft ein Halbmetall, insbesondere ein Halbmetall aus der Gruppe Arsen, α-Zinn (graues Zinn), Antimon, Wismut oder Graphit, und/oder einen do- tierten Halbleiter. Die Stärke des Hall-Effekts ist im Wesentlichen ein Produkt aus intrinsischen Materialeigenschaften (hauptsächlich der Ladungsträgerdichte) und der Magnetfeldstärke. Je stärker der Hall-Winkel von 90 Grad abweicht, desto stärker wird ein Eingangsstrom ( ; l ₄ ) vom Gyrator reflektiert.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Transformator beschränkt den Anwendungsbereich des Gyrators auf Wechselstromsignale. Es ist aber ein Betrieb mit Frequenzen bis hinab zu etwa 50 Hz möglich.

Wenn sowohl für die Einkopplung als auch für die Umwandlung Transformatoren vorgesehen sind, dann sind vorteilhaft die Leiterschleifen beider Transformatoren, die aus dem normalleitenden oder halbleitenden Material bestehen, induktiv voneinander entkoppelt. Ein Eingangsstrom bewirkt dann nur über den Hall-Effekt des Hall- Effekt-Materials eine Ausgangsspannung U ₄ , und umgekehrt bewirkt auch ein Eingangsstrom l ₄ nur über diesen Hall-Effekt eine Ausgangsspannung Ui. Eine unter Umgehung des Hall-Effekt-Materials direkt induzierte Ausgangsspannung würde nachteilig nicht das Vorzeichen wechseln, wenn Eingang und Ausgang vertauscht werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Hall-Effekt- Material ein Quanten-Hall-Effekt-Material. In derartigen Materialien weicht ΘΗ nur um unmessbar kleine Beträge von 90 Grad ab. Der Eingangsstrom \ i wird dann praktisch vollständig in den senkrechten Strom I3 innerhalb des Hall-Effekt-Materials umgesetzt, der in die Ausgangsspannung U ₄ umgewandelt wird. Der Quanten-Hall-Effekt tritt in vielen sehr dünnen Materialien und Strukturen auf. Vorteilhaft umfasst das

Quanten-Hall-Effekt-Material Graphen und/oder eine Halbleiterheterostruktur, die ein zweidimensionales Elektronengas bildet.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Hall-Effekt- Material dergestalt in mindestens zwei Segmenten angeordnet, dass bei anliegen- dem Magnetfeld eine elektromotorische Kraft in einem Segment einen Stromfluss hauptsächlich in dem anderen Segment bewirkt. Der Eingangsstrom ( ; l ₄ ) bewirkt dann in dem einen Segment eine elektromotorische Kraft, die durch den Hall-Effekt in einen Stromfluss durch das andere Segment umgewandelt wird. Dieser Stromfluss wird wiederum induktiv in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U ₁ ) umgewandelt. Dies ist beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung realisiert. In dieser Ausgestaltung bildet das Hall-Effekt-Material mindestens zwei Leiterschleifen 1 und 2, die an einem Punkt elektrisch miteinander verbunden sind und sich an mindestens einem anderen Punkt ohne elektrische Verbindung kreuzen. Diese Kreuzung kann beispielsweise realisiert sein, indem die eine Leiterschleife die andere über- oder unterquert, wobei sie durch einen Spalt und/oder durch ein isolierendes Material von der anderen Leiterschleife getrennt ist. Die eine Leiterschleife kann die andere aber auch durchqueren und dabei durch einen Spalt und/oder durch ein isolierendes Material von ihr getrennt sein. Die Leiterschleifen sind nicht auf Kreisform festgelegt, sondern können jede Form annehmen.

Das Hall-Effekt-Material kann beispielsweise in Form einer Spirale realisiert sein, deren Enden in einem gemeinsamen Kreuzungspunkt an eine der Windungen herangeführt oder mit diesem Kreuzungspunkt elektrisch kontaktiert sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die eine Leiterschlei- fe (1 ; 2) die Sekundärwicklung des Transformators für die Einkopplung des Eingangsstroms ( ; l ₄ ), und/oder die zweite Leiterschleife (2; 1) ist die Primärwicklung des Transformators für die Umwandlung des Stroms (l ₃ ; ) im Hall-Effekt-Material in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1 ). Die beiden Leiterschleifen erfüllen dann jeweils eine Doppelfunktion: Zum Einen separieren sie die interessierende Komponente (l ₃ ; l ₂ ) des Gesamtstroms im Hall-Effekt-Material in eine der Leiterschleifen ab. Zum Anderen bilden sie jeweils eine Hälfte des Transformators für die Einkopplung bzw. Umwandlung, so dass zusätzliche Teile hierfür eingespart werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung belegt das Hall-Effekt- Material eine dreidimensionale Fläche, die durch Bewegung einer zweidimensionalen Fläche auf einem geschlossenen Weg im Raum darstellbar ist. Diese Fläche kann beispielsweise ein Toms sein. Ein Toms entsteht, indem ein Kreis als zweidimensionale Fläche entlang eines größeren Kreises im dreidimensionalen Raum bewegt wird.

Das Hall-Effekt-Material kann insbesondere als Schicht auf einem isolierenden Sub- strat angeordnet sein, und/oder die dreidimensionale Fläche kann einen Hohlkörper aus dem Hall-Effekt-Material bilden. Beides hat die Wirkung, dass es nur Strompfade entlang der dreidimensionalen Fläche gibt und keine parasitären Strompfade durch ein massives Hall-Effekt-Material. Das Hall-Effekt-Material kann auf dem isolierenden Substrat aufgewachsen oder mit einer Beschichtungstechnik auf dieses Substrat aufgebracht sein. Die dreidimensionale Fläche enthält automatisch Leiterschleifen 1 und 2, die an einem Punkt elektrisch miteinander verbunden sind und sich an mindestens einem anderen Punkt ohne elektrische Verbindung kreuzen. Die erste Leiterschleife 1 ist ein Pfad im Hall-Effekt-Material entlang des geschlossenen Weges oder parallel zu diesem Weg. Die zweite Leiterschleife 2 ist ein Pfad im Hall-Effekt-Material entlang des Umfangs der zweidimensionalen Fläche an einem Punkt des geschlossenen Weges. Diese Leiterschleife steht idealerweise senkrecht auf der ersten Leiterschleife. Beide Leiterschleifen 1 und 2 funktionieren wie oben beschrieben.

Die Anordnung auf der dreidimensionalen Fläche hat den Vorteil, dass eine besonders gute induktive Einkopplung des Eingangsstroms (Ii ; l ₄ ) in die eine Leiterschleife (1 ; 2) sowie eine besonders gute induktive Umwandlung des Stroms (b; im Hall- Effekt-Material in die Ausgangsspannung (U4; U1) realisiert werden kann. Der Gyrator wird dadurch insgesamt effizienter.

Vorteilhaft ist daher ein Pfad im Hall-Effekt-Material entlang des geschlossenen Weges oder parallel zu diesem Weg die Sekundärwicklung des Transformators für die Einkopplung des Eingangsstroms (l-i ; l ₄ ) oder die Primärwicklung des Transformators für die Umwandlung des Stroms (l ₃ ; l ₂ ) im Hall-Effekt-Material in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1). Die andere Wicklung des Transformators kann dann beispielsweise eine Spule sein, die entlang des geschlossenen Weges oder parallel zu diesem Weg gewickelt ist. Alternativ oder in Kombination hierzu ist vorteilhaft ein Pfad im Hall-Effekt-Material entlang des Umfangs der zweidimensionalen Fläche an einem Punkt des geschlossenen Weges die Sekundärwicklung des Transformators für die Einkopplung des Eingangsstroms ( ; l ₄ ) oder die Primärwicklung des Transformators für die Umwandlung des Stroms (I3; I2) im Hall-Effekt-Material in die Ausgangsspannung (U ₄ ; U1). Die andere Wicklung des Transformators kann dann beispielsweise eine Spule sein, die entlang des Umfangs der zweidimensionalen Fläche gewickelt ist. Ein in der beschriebenen Weise auf einer dreidimensionalen Fläche angeordneter Gyrator kommt mit einem räumlich homogenen Magnetfeld nicht mehr aus. Stattdessen ist jeweils lokal zu gewährleisten, dass das Magnetfeld senkrecht auf der dreidimensionalen Fläche steht. Je größer der Anteil der Fläche ist, auf dem dies realisiert werden kann, desto effizienter arbeitet der Gyrator. Vorteilhaft weist daher das Hall- Effekt-Material mindestens eine Öffnung zur Durchführung magnetischer Feldlinien durch die dreidimensionale Fläche auf. Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist vorteilhaft eine magnetische Multipolanordnung zur Durchsetzung des Hall-Effekt- Materials mit dem Magnetfeld vorgesehen. Vorteilhaft sind Mittel zur Erzeugung eines lokalen elektrischen Hilfsfelds an mindestens einem Ort auf der dreidimensionalen Fläche vorgesehen. Durch einen Feldeffekt kann dann die lokale Elektronendichte und damit der Hall-Effekt feinabgestimmt werden. Damit können eventuelle Inhomogenitäten der lokalen, zur dreidimensionalen Fläche senkrechten Komponente des Magnetfelds korrigiert werden. Um das Magnetfeld selbst feinabzustimmen, können auf der dreidimensionalen Fläche, in dem von dieser Fläche eingeschlossenen Körper oder in dessen Umfeld magnetisch permeable Materialien angeordnet sein.

Spezieller Beschreibunqsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:

Figur 1 : Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gyrators mit zwei Leiterschleifen aus Hall-Effekt-Material.

Figur 2: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gyrators mit einem Hall-Effekt- Material auf einer Torusoberfläche (a) mit zwei Strompfaden entlang der Torusoberfläche, die über Spulen (b, c) induktiv mit der Außenwelt verbunden sind.

Figur 3: Magnetische Multipolanordnung zur Realisierung eines homogenen senkrechten Feldes entlang der Torusoberfläche.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gyrators in schemati- scher Darstellung. Das Hall-Effekt-Material ist in zwei Leiterschleifen 1 und 2 seg- mentiert. Das aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnete Magnetfeld ist im Raum homogen und steht senkrecht auf der Zeichenebene. Um die Leiterschleifen 1 und 2 sind jeweils Spulen 1a und 2a gewickelt. Ein Eingangsstrom Ii , der über die Spule 1a eingekoppelt wird, bewirkt in der Leiterschleife 1 eine elektromotorische Kraft Ei . Der Hall-Effekt wandelt diese elektromotorische Kraft in einen Strom l ₃ durch die Leiterschleife 2 um. Dieser induziert in der Spule 2a die Ausgangsspannung U ₄ . Wird umgekehrt die Spule 2a von einem Eingangsstrom U durchflössen, bewirkt dies in der Leiterschleife 2 eine elektromotorische Kraft E2. Auf Grund der Rechte-Hand-Regel wandelt der Hall-Effekt bei gleicher Magnetfeldrichtung diese elektromotorische Kraft E ₂ in einen zum Eingangsstrom um 180° phasenverschobenen Strom l ₂ durch die Leiterschleife 1 um. Dieser induziert in der Spule 1a die zum Eingangsstrom U ebenfalls um 180° phasenverschobene Ausgangsspannung U1.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gyrators. Das Hall-Effekt-Material ist hier auf der Oberfläche eines Toms angeordnet (Figur 2a). Das Liniennetz, das diese Oberfläche überzieht, dient nur der Verdeutlichung der dreidimensionalen Struktur für das Auge; die Schicht aus dem Hall-Effekt- Material ist in den hellgrauen Bereichen durchgehend. Sie ist lediglich durch die schwarz eingezeichneten Bereiche 3 unterbrochen, in denen keine Stromleitung stattfinden kann. Diese Bereiche dienen zum Einen dazu, den Durchtritt eines mag- netischen Multipolfeldes durch die Torusoberfläche zu ermöglichen, damit möglichst überall auf dieser Oberfläche ein zu dieser Oberfläche senkrechtes Magnetfeld herrscht. Zum Anderen dienen sie dazu, definierte Bereiche zu formen, in denen der Strom I3 entlang des Umfangs des Kreises, durch dessen Bewegung entlang eines größeren Kreises der Toms entstanden ist, fließen kann. In der hierzu senkrechten Richtung kann der Strom l ₂ parallel zu dem größeren Kreis fließen.

Figur 2b zeigt eine Spule 1a zur induktiven Kopplung des in Figur 2a eingezeichneten Strompfades für l ₂ mit der Außenwelt. Wird in die Spule ein Eingangsstrom eingekoppelt, wird entlang des Strompfades für l ₂ ein elektrisches Feld Ei erzeugt, das über den Hall-Effekt zu einem Strom I3 in der hierzu senkrechten Richtung um- gewandelt wird. Herrscht umgekehrt entlang des Pfades für den Strom l ₃ eine elektromotorische Kraft, bewirkt der Hall-Effekt einen Strom l ₂ , der in der Spule die Ausgangsspannung U1 induziert. Für eine optimale Wirkung des Gyrators sollte das räumliche Profil der Spule der räumlichen Verteilung des Stroms so weit wie möglich angenähert sein. Weiterhin ist vorteilhaft auf der Unterseite des Torus eine zweite, gleichartige Spule mit der in Figur 2b gezeigten Spule in Reihe geschaltet. Die Spule ist gegen das Hall-Effekt-Material elektrisch isoliert. Figur 2c zeigt eine Spule 2a zur induktiven Kopplung des in Figur 2a eingezeichneten Strompfades für I3 mit der Außenwelt. Die verschiedenen Stücke entlang des größeren der beiden Kreise, die den Torus definieren, sind in Reihe geschaltet. Fließt auf Grund eines Eingangsstroms durch die Spule 1a ein Strom I3, wird dieser durch die Spule 2a in die Ausgangsspannung U4 umgewandelt. Wird umgekehrt die Spule 2a mit dem Eingangsstrom U beaufschlagt, wird entlang des Pfades für den Strom I3 eine elektromotorische Kraft E3 erzeugt, die durch den Hall-Effekt zu einem Strom l ₂ umgewandelt wird und in der Spule 1a die Ausgangsspannung U1 induziert. Die Spule 2a ist sowohl gegen die Spule 1a als auch gegen das Hall-Effekt-Material elektrisch isoliert. Es gibt auch keine direkte induktive Kopplung zwischen den Spu- len 1a und 2a. Für eine optimale Wirkung des Gyrators sollte das räumliche Profil der Spule der räumlichen Verteilung des Stroms I3 so weit wie möglich angenähert sein. Die Spule 2a kann die schwarz eingezeichneten Bereiche 3, in denen keine Stromleitung möglich ist, ganz oder teilweise überdecken.

Beide Spulen 1a oder 2a können jeweils auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Torusoberfläche liegen. Es ist auch unerheblich, ob die Spule 1a über der Spule 2a liegt oder umgekehrt.

Figur 3 zeigt eine magnetische Multipolanordnung, die auf der Oberfläche des Torus ein homogenes senkrechtes Magnetfeld erzeugt, in Schnittzeichnung in der Äquatorebene des Torus. Die von magnetischen Nordpolen ausgehenden Feldlinien treten durch die Bereiche 3, in denen das Hall-Effekt-Material unterbrochen ist, in den Torus ein und treten senkrecht durch die mit Hall-Effekt-Material belegten Bereiche wieder aus dem Torus aus in Richtung der magnetischen Südpole. Vorteilhaft sind an der Außenfläche des Torus, etwa oberhalb und unterhalb der Zeichenebene, weitere Magnete vorgesehen, um dort weitere magnetische Südpole vorzulegen, so dass dort weitere Feldlinien senkrecht aus der Oberfläche austreten.