Hva er kvantehalleffekten?
Kvante Hall-effekten er en godt akseptert teori i fysikk som beskriver atferden til elektroner i et magnetfelt ved ekstremt lave temperaturer. Observasjoner av effekten underbygger tydelig teorien om kvantemekanikk som helhet. Resultatene er så presise at standarden for måling av elektrisk motstand bruker kvante Hall-effekten, som også underbygger arbeidet som er gjort på superledere.
Hall-effekten, oppdaget av Edwin Hall i 1879, blir observert når en strøm av strøm går gjennom en leder plassert i et magnetfelt. Ladebærere, som vanligvis er elektron, men kan være protoner, sprer seg til siden av lederen på grunn av magnetfeltets innflytelse. Fenomenet kan visualiseres som en serie biler som skyves sideveis på grunn av en sterk vind mens de går nedover en motorvei. Bilene tar en buet sti når de prøver å kjøre fremover, men blir tvunget til side.
En potensiell forskjell mellom sidene på lederen utvikler seg. Spenningsforskjellen er ganske liten og er en funksjon av sammensetningen av lederen. Forsterkning av signalet er nødvendig for å lage nyttige instrumenter basert på Hall-effekten. Denne ubalansen i elektrisk potensial er prinsippet bak en Hall-sonde som måler magnetiske felt.
Med populariteten til halvledere ble fysikere interessert i å undersøke Hall-effekten i folier så tynne, ladebærerne ble i det vesentlige begrenset til bevegelse i to dimensjoner. De påførte strøm på ledende folier under sterke magnetfelt og lave temperaturer. I stedet for å se elektroner trukket sidelengs i buede kontinuerlige stier, gjorde elektronene plutselig hopp. Det var skarpe topper i strømningsmotstanden ved spesifikke energinivåer når magnetfeltstyrken ble endret. Mellom toppene falt motstanden til en verdi nær null, et kjennetegn for superledere med lav temperatur.
Fysikerne innså også at energinivået som var nødvendig for å forårsake en pigg i motstand, ikke var en funksjon av lederens sammensetning. Motstandstoppene skjedde ved hele tallmultipler av hverandre. Disse toppene er så forutsigbare og konsistente at instrumenter basert på kvante Hall-effekten kan brukes til å skape standarder for motstand. Slike standarder er viktige for å teste elektronikk og sikre pålitelig ytelse.
Kvanteteorien om atomstruktur, som er konseptet om at energi er tilgjengelig i separate, hele pakker på subatomisk nivå, hadde spådd kvante Hall-effekten allerede i 1975. I 1980 mottok Klaus von Klitzing Nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse av at kvante Hall-effekten faktisk var nøyaktig diskret, noe som betyr at elektronene bare kunne eksistere i skarpt definerte energinivåer. Kvante Hall-effekten har blitt et annet argument til støtte for kvantens natur.