Hvad er kvantehalseffekten?
Kvante Hall-effekten er en vel accepteret teori inden for fysik, der beskriver opførsel af elektroner inden for et magnetfelt ved ekstremt lave temperaturer. Observationer af effekten underbygger klart teorien om kvantemekanik som helhed. Resultaterne er så nøjagtige, at standarden til måling af elektrisk modstand bruger kvante Hall-effekten, som også understøtter det arbejde, der udføres på superledere.
Hall-effekten, der blev opdaget af Edwin Hall i 1879, observeres, når en strøm af strøm passerer gennem en leder placeret i et magnetfelt. Opladningsbærere, som normalt er elektroner, men kan være protoner, spreder sig til lederens side på grund af magnetfeltets indflydelse. Fænomenet kan visualiseres som en række biler, der skubbes sidelæns på grund af en stærk vind, mens de går ned ad en motorvej. Bilerne tager en buet sti, når de forsøger at køre fremad, men tvinges sidelæns.
Der udvikles en potentiel forskel mellem lederne på siderne. Spændingsforskellen er ganske lille og er en funktion af lederens sammensætning. Forstærkning af signalet er nødvendigt for at fremstille nyttige instrumenter baseret på Hall-effekten. Denne ubalance i det elektriske potentiale er princippet bag en Hall-sonde, der måler magnetiske felter.
Med populariteten af halvledere blev fysikere interesseret i at undersøge Hall-effekten i folier, så tynde, ladningsbærerne var i det væsentlige begrænset til bevægelse i to dimensioner. De påførte strøm på ledende folier under stærke magnetfelter og lave temperaturer. I stedet for at se elektroner trukket sidelæns i buede kontinuerlige stier, foretog elektronerne pludselige spring. Der var skarpe toppe i modstanden mod strømning ved specifikke energiniveau, da magnetfeltstyrken blev ændret. Mellem toppe faldt modstanden til en værdi i nærheden af nul, en karakteristik for lavtemperatur superledere.
Fysikerne indså også, at det energiniveau, der var nødvendigt for at forårsage en stigning i modstand, ikke var en funktion af lederens sammensætning. Modstandstoppene opstod ved heltal-multipla af hinanden. Disse toppe er så forudsigelige og konsistente, at instrumenter baseret på kvante Hall-effekten kan bruges til at skabe standarder for modstand. Sådanne standarder er vigtige for test af elektronik og for at sikre pålidelig ydelse.
Kvanteteorien om atomstruktur, som er begrebet, at energi er tilgængelig i diskrete hele pakker på det subatomære niveau, havde forudsagt kvante Hall-effekten allerede i 1975. I 1980 modtog Klaus von Klitzing Nobelprisen i fysik for sin opdagelse af, at den kvante Hall-effekt faktisk var nøjagtigt diskret, hvilket betyder, at elektronerne kun kunne eksistere i skarpt definerede energiniveauer. Kvante Hall-effekten er blevet et andet argument til støtte for kvantens natur.