Was ist der Quanten-Hall-Effekt?
Der Quanten-Hall-Effekt ist eine anerkannte physikalische Theorie, die das Verhalten von Elektronen in einem Magnetfeld bei extrem niedrigen Temperaturen beschreibt. Beobachtungen des Effekts untermauern eindeutig die Theorie der Quantenmechanik als Ganzes. Die Ergebnisse sind so präzise, dass der Standard für die Messung des elektrischen Widerstands den Quanten-Hall-Effekt nutzt, der auch die Arbeit an Supraleitern untermauert.
Der 1879 von Edwin Hall entdeckte Hall-Effekt wird beobachtet, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, der in einem Magnetfeld angeordnet ist. Ladungsträger, die normalerweise Elektronen sind, aber Protonen sein können, streuen aufgrund des Einflusses des Magnetfelds zur Seite des Leiters. Das Phänomen kann als eine Reihe von Autos visualisiert werden, die aufgrund eines starken Windes auf einer Autobahn seitwärts geschoben werden. Die Autos nehmen eine kurvenreiche Bahn, während sie versuchen, vorwärts zu fahren, aber seitwärts gezwungen werden.
Es entsteht ein Potentialunterschied zwischen den Seiten des Leiters. Die Spannungsdifferenz ist recht gering und hängt von der Zusammensetzung des Leiters ab. Eine Verstärkung des Signals ist erforderlich, um nützliche Instrumente auf der Basis des Hall-Effekts zu erhalten. Dieses Ungleichgewicht des elektrischen Potentials ist das Prinzip einer Hallsonde, die Magnetfelder misst.
Mit der Popularität von Halbleitern interessierten sich Physiker für die Untersuchung des Hall-Effekts bei Folien, die so dünn sind, dass die Ladungsträger im Wesentlichen nur in zwei Dimensionen bewegt werden können. Sie beaufschlagten leitende Folien unter starken Magnetfeldern und niedrigen Temperaturen mit Strom. Anstatt zu sehen, wie Elektronen in gekrümmten Bahnen seitwärts gezogen wurden, machten die Elektronen plötzliche Sprünge. Es gab scharfe Spitzen im Strömungswiderstand bei bestimmten Energieniveaus, als die Magnetfeldstärke geändert wurde. Zwischen den Spitzen sank der Widerstand auf einen Wert nahe Null, was für Niedertemperatursupraleiter charakteristisch ist.
Die Physiker erkannten auch, dass das Energieniveau, das für eine Widerstandsspitze erforderlich ist, nicht von der Zusammensetzung des Leiters abhängt. Die Widerstandsspitzen traten bei ganzzahligen Vielfachen voneinander auf. Diese Peaks sind so vorhersehbar und konsistent, dass mit Instrumenten, die auf dem Quanten-Hall-Effekt basieren, Widerstandsstandards erstellt werden können. Solche Standards sind unerlässlich, um die Elektronik zu testen und eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten.
Die Quantentheorie der Atomstruktur, bei der es sich um das Konzept handelt, dass Energie auf subatomarer Ebene in diskreten ganzen Paketen verfügbar ist, hatte den Quanten-Hall-Effekt bereits 1975 vorhergesagt. 1980 erhielt Klaus von Klitzing für seine Arbeit den Nobelpreis für Physik Entdeckung, dass der Quanten-Hall-Effekt tatsächlich genau diskret war, was bedeutet, dass die Elektronen nur in genau definierten Energieniveaus existieren konnten. Der Quanten-Hall-Effekt ist zu einem weiteren Argument für die Quantennatur der Materie geworden.