Wat is het Quantum Hall -effect?

Het Quantum Hall-effect is een goed geaccepteerde theorie in de fysica die het gedrag van elektronen binnen een magnetisch veld beschrijft bij extreem lage temperaturen. Observaties van het effect onderbouwen de theorie van de kwantummechanica als geheel duidelijk. De resultaten zijn zo nauwkeurig dat de standaard voor de meting van elektrische weerstand het Quantum Hall -effect gebruikt, dat ook ten grondslag ligt aan het werk dat wordt gedaan aan supergeleiders.

Het Hall -effect, ontdekt door Edwin Hall in 1879, wordt waargenomen wanneer een stroom van elektriciteit door een geleider wordt geplaatst die in een magnetisch veld wordt geplaatst. Ladingsdragers, die meestal elektronen zijn, maar protonen kunnen zijn, verspreiden zich aan de zijkant van de geleider vanwege de invloed van het magnetische veld. Het fenomeen kan worden gevisualiseerd als een reeks auto's zijwaarts geduwd vanwege een sterke wind terwijl hij een snelweg doorgaat. De auto's nemen een gebogen pad terwijl ze proberen naar voren te rijden, maar worden zijwaarts gedwongen.

Een potentieel verschil tussen de zijkanten van de geleider ontwikkelt zich.Het spanningsverschil is vrij klein en is een functie van de samenstelling van de geleider. Versterking van het signaal is noodzakelijk om bruikbare instrumenten te maken op basis van het Hall -effect. Deze onbalans in elektrische potentiaal is het principe achter een halsonde die magnetische velden meet.

Met de populariteit van halfgeleiders raakten natuurkundigen geïnteresseerd in het onderzoeken van het Hall -effect in folies die zo dun zijn, de ladingsdragers waren in wezen beperkt tot beweging in twee dimensies. Ze brachten stroom uit op geleidende folies onder sterke magnetische velden en lage temperaturen. In plaats van elektronen zijwaarts te zien getrokken in gebogen continue paden, maakten de elektronen plotselinge sprongen. Er waren scherpe pieken in de weerstand tegen stromen op specifieke energieniveaus toen de magnetische veldsterkte werd veranderd. Tussen de pieken daalde de weerstand af tot een waarde nabij nul, een kenmerk van lage temperatuur superconductors.

De fysici realiseerden zich ook dat het energieniveau dat nodig was om een ​​piek in weerstand te veroorzaken geen functie was van de samenstelling van de geleider. De weerstandspieken kwamen op bij veelvouden van het hele nummer 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 zorgen voor betrouwbare prestaties.

De kwantumtheorie van de atomaire structuur, het concept dat energie beschikbaar is in discrete, hele pakketten op subatomair niveau, had al in 1975 het Quantum Hall -effect voorspeld. In 1980 ontving Klaus von klitzing de Nobelprijsfysics voor zijn ontdekking dat het kwantumhal -effect precies discreet was, dat de elektronen alleen kunnen bestaan ​​in de sharspy -niveaus van energie. Het Quantum Hall -effect is een ander argument geworden ter ondersteuning van de kwantumkarakter van materie.