Wat is het Quantum Hall-effect?
Het quantum Hall-effect is een algemeen aanvaarde theorie in de fysica die het gedrag van elektronen in een magnetisch veld bij extreem lage temperaturen beschrijft. Observaties van het effect onderbouwen duidelijk de theorie van de kwantummechanica als geheel. De resultaten zijn zo nauwkeurig dat de standaard voor het meten van elektrische weerstand het quantum Hall-effect gebruikt, dat ook de basis vormt voor het werk aan supergeleiders.
Het Hall-effect, ontdekt door Edwin Hall in 1879, wordt waargenomen wanneer een stroom van elektriciteit door een geleider stroomt die in een magnetisch veld wordt geplaatst. Ladingsdragers, die meestal elektronen zijn maar protonen kunnen zijn, verspreiden zich naar de zijkant van de geleider door de invloed van het magnetische veld. Het fenomeen kan worden gevisualiseerd als een reeks auto's die zijwaarts worden geduwd vanwege een sterke wind tijdens het afdalen van een snelweg. De auto's nemen een gebogen pad terwijl ze proberen vooruit te rijden, maar worden zijwaarts gedwongen.
Er ontstaat een potentiaalverschil tussen de zijkanten van de geleider. Het spanningsverschil is vrij klein en is een functie van de samenstelling van de geleider. Versterking van het signaal is nodig om bruikbare instrumenten te maken op basis van het Hall-effect. Deze onbalans in elektrisch potentieel is het principe achter een Hall-sonde die magnetische velden meet.
Met de populariteit van halfgeleiders raakten natuurkundigen geïnteresseerd in het onderzoeken van het Hall-effect in folies die zo dun waren dat de ladingsdragers in wezen beperkt waren tot beweging in twee dimensies. Ze brachten stroom aan op geleidende folies onder sterke magnetische velden en lage temperaturen. In plaats van elektronen opzij te zien getrokken in gebogen ononderbroken paden, maakten de elektronen plotselinge sprongen. Er waren scherpe pieken in de weerstand tegen stroming bij specifieke energieniveaus naarmate de sterkte van het magnetische veld werd veranderd. Tussen de pieken daalde de weerstand tot een waarde nabij nul, een kenmerk van supergeleiders bij lage temperatuur.
De natuurkundigen realiseerden zich ook dat het energieniveau dat nodig is om een piek in weerstand te veroorzaken, geen functie was van de samenstelling van de geleider. De weerstandspieken traden op bij gehele aantal veelvouden van elkaar. Deze pieken zijn zo voorspelbaar en consistent dat instrumenten op basis van het quantum Hall-effect kunnen worden gebruikt om weerstandsnormen te creëren. Dergelijke normen zijn essentieel voor het testen van elektronica en het garanderen van betrouwbare prestaties.
De kwantumtheorie van de atomaire structuur, het concept dat energie beschikbaar is in discrete, hele pakketten op subatomair niveau, had het quantum Hall-effect al in 1975 voorspeld. In 1980 ontving Klaus von Klitzing de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn ontdekking dat het quantum Hall-effect inderdaad precies discreet was, wat betekent dat de elektronen alleen in scherp gedefinieerde energieniveaus konden bestaan. Het quantum Hall-effect is een ander argument geworden ter ondersteuning van de kwantumkarakter van materie.