Co je kvantový Hallův efekt?

Kvantový Hallův efekt je dobře přijímaná teorie ve fyzice popisující chování elektronů v magnetickém poli při extrémně nízkých teplotách. Pozorování účinku jasně zdůvodňuje teorii kvantové mechaniky jako celku. Výsledky jsou tak přesné, že standard pro měření elektrického odporu používá kvantový Hallův efekt, který také podepírá práci na supravodičích.

Hallův efekt, objevený Edwinem Hallem v roce 1879, je pozorován, když proud elektřiny prochází dirigentem umístěným v magnetickém poli. Nosiče náboje, kterými jsou obvykle elektrony, ale mohou to být protony, se rozptylují na stranu vodiče vlivem magnetického pole. Tento jev lze vizualizovat jako řadu vozů tlačených do strany kvůli silnému větru při jízdě po dálnici. Při pokusu o jízdu vpřed se auta vydávají zakřivenou cestou, ale jsou nuceni do strany.

Rozvíjí se potenciální rozdíl mezi stranami vodiče. Rozdíl napětí je poměrně malý a je funkcí složení vodiče. Zesílení signálu je nezbytné pro vytvoření užitečných nástrojů založených na Hallově efektu. Tato nevyváženost elektrického potenciálu je principem Hallovy sondy, která měří magnetická pole.

S popularitou polovodičů se fyzici začali zajímat o Hallův efekt u fólií tak tenkých, že nosiče náboje byly v podstatě omezeny na pohyb ve dvou rozměrech. Při silném magnetickém poli a nízkých teplotách aplikovali proud na vodivé fólie. Místo toho, aby viděli elektrony tlačené do stran zakřivenými souvislými cestami, elektrony náhle vyskočily. Při změně síly magnetického pole byly ostré píky v odporu proti proudu při specifických hladinách energie. Mezi vrcholy poklesl odpor na hodnotu blízkou nule, což je charakteristika nízkoteplotních supravodičů.

Fyzici si také uvědomili, že úroveň energie potřebná k vyvolání odporu není funkcí složení dirigenta. Vrcholy odporu se vyskytovaly u násobků celého čísla. Tyto vrcholy jsou natolik předvídatelné a konzistentní, že nástroje založené na kvantovém Hallově efektu mohou být použity k vytvoření standardů odporu. Tyto standardy jsou nezbytné pro testování elektroniky a zajištění spolehlivého výkonu.

Kvantová teorie atomové struktury, což je pojem, že energie je k dispozici v diskrétních celých paketech na subatomické úrovni, předpovídala kvantový Hallův efekt již v roce 1975. V roce 1980 obdržel Klaus von Klitzing za svou Nobelovu cenu za fyziku objev, že kvantový Hallův efekt byl skutečně přesně diskrétní, což znamená, že elektrony mohly existovat pouze v ostře definovaných úrovních energie. Kvantový Hallův efekt se stal dalším argumentem na podporu kvantové povahy hmoty.