Hvad er kvantehallens effekt?
Quantum Hall-effekten er en godt accepteret teori i fysik, der beskriver opførslen af elektroner inden for et magnetfelt ved ekstremt lave temperaturer. Observationer af effekten underbygger klart teorien om kvantemekanik som helhed. Resultaterne er så præcise, at standarden for måling af elektrisk resistens bruger Quantum Hall -effekten, som også understøtter det arbejde, der udføres på superledere.
Halleffekten, opdaget af Edwin Hall i 1879, observeres, når en strøm af elektricitet passerer gennem en leder placeret i et magnetisk felt. Ladningsbærere, som normalt er elektroner, men kan være protoner, spreder til siden af lederen på grund af påvirkningen af magnetfeltet. Fænomenet kan visualiseres som en række biler, der skubbes sidelæns på grund af en stærk vind, mens den gik ned ad en motorvej. Bilerne tager en buet sti, når de forsøger at køre fremad, men tvinges sidelæns.
En potentiel forskel mellem siderne af lederen udvikler sig.Spændingsforskellen er ret lille og er en funktion af lederens sammensætning. Forstærkning af signalet er nødvendigt for at fremstille nyttige instrumenter baseret på halleffekten. Denne ubalance i elektrisk potentiale er princippet bag en hallsonde, der måler magnetiske felter.
Med populariteten af halvledere blev fysikere interesseret i at undersøge halleffekten i folierer så tynde, at ladningsbærerne i det væsentlige var begrænset til bevægelse i to dimensioner. De anvendte strøm på ledende folier under stærke magnetiske felter og lave temperaturer. I stedet for at se elektroner trukket sidelæns i buede kontinuerlige stier, lavede elektronerne pludselige spring. Der var skarpe toppe i modstanden mod strømning ved specifikke energiniveauer, da magnetfeltstyrken blev ændret. Mellem toppe faldt modstanden til en værdi nær nul, et kendetegn ved lav temperaturuperledere.
Fysikerne indså også, at det energiniveau, der var nødvendigt for at forårsage en stigning i modstand, ikke var en funktion af lederens sammensætning. Modstandens toppe forekom ved multipla med hele nummeret af hinanden. Disse toppe er så forudsigelige og konsistente, at instrumenter, der er baseret på Quantum Hall -effekten, kan bruges til at skabe modstandsstandarder. Sådanne standarder er vigtige for at teste elektronik og sikre pålidelig ydelse.
Kvanteteorien om atomstruktur, som er konceptet om, at energi er tilgængeligt i diskrete, hele pakker på det subatomiske niveau, havde forudsagt kvantehallens effekt allerede i 1975. I 1980, Klaus von Klitzing modtog Nobelprisen i fysik for hans opdagelse af, at kvantehallen faktisk var nøjagtigt diskret, hvilket betyder, at elektronerne kun kunne eksistere i en skarphed, der var defineret i energien. Kvanthallens effekt er blevet et andet argument til støtte for materiens kvante karakter.