Che cos'è l'effetto Hall quantistico?
L'effetto Hall quantistico è una teoria ben accettata in fisica che descrive il comportamento degli elettroni all'interno di un campo magnetico a temperature estremamente basse. Le osservazioni dell'effetto confermano chiaramente la teoria della meccanica quantistica nel suo insieme. I risultati sono così precisi che lo standard per la misurazione della resistenza elettrica utilizza l'effetto Hall quantistico, che è anche alla base del lavoro svolto sui superconduttori.
L'effetto Hall, scoperto da Edwin Hall nel 1879, si osserva quando una corrente di elettricità passa attraverso un conduttore posto in un campo magnetico. I portatori di carica, che di solito sono elettroni ma possono essere protoni, si disperdono sul lato del conduttore a causa dell'influenza del campo magnetico. Il fenomeno può essere visualizzato come una serie di auto spinte lateralmente a causa di un forte vento mentre scendono lungo un'autostrada. Le auto prendono una strada curva mentre tentano di avanzare ma sono costrette lateralmente.
Si sviluppa una potenziale differenza tra i lati del conduttore. La differenza di tensione è piuttosto piccola ed è una funzione della composizione del conduttore. L'amplificazione del segnale è necessaria per realizzare strumenti utili basati sull'effetto Hall. Questo squilibrio nel potenziale elettrico è il principio alla base di una sonda Hall che misura i campi magnetici.
Con la popolarità dei semiconduttori, i fisici si interessarono all'esame dell'effetto Hall in fogli così sottili che i portatori di carica erano essenzialmente limitati al movimento in due dimensioni. Hanno applicato corrente a fogli conduttivi sotto forti campi magnetici e basse temperature. Invece di vedere elettroni tirati lateralmente in percorsi continui curvi, gli elettroni hanno fatto salti improvvisi. Ci sono stati picchi acuti nella resistenza al flusso a livelli di energia specifici quando la forza del campo magnetico è stata modificata. Tra i picchi, la resistenza è scesa a un valore vicino allo zero, una caratteristica dei superconduttori a bassa temperatura.
I fisici hanno anche capito che il livello di energia necessario per provocare un picco di resistenza non era una funzione della composizione del conduttore. I picchi di resistenza si sono verificati a multipli di numero intero l'uno dell'altro. Questi picchi sono così prevedibili e coerenti che gli strumenti basati sull'effetto Hall quantistico possono essere utilizzati per creare standard di resistenza. Tali standard sono essenziali per testare l'elettronica e garantire prestazioni affidabili.
La teoria quantistica della struttura atomica, che è il concetto che l'energia è disponibile in pacchetti interi e discreti a livello subatomico, aveva predetto l'effetto Hall quantistico già nel 1975. Nel 1980, Klaus von Klitzing ricevette il premio Nobel per la fisica per il suo la scoperta che l'effetto Hall quantistico era davvero esattamente discreto, il che significa che gli elettroni potevano esistere solo in livelli di energia nettamente definiti. L'effetto Hall quantistico è diventato un altro argomento a sostegno della natura quantistica della materia.