Co to jest kwantowy efekt Halla?
Kwantowy efekt Halla jest dobrze przyjętą teorią fizyki opisującą zachowanie elektronów w polu magnetycznym w ekstremalnie niskich temperaturach. Obserwacje efektu wyraźnie potwierdzają teorię mechaniki kwantowej jako całości. Wyniki są tak precyzyjne, że standard pomiaru rezystancji elektrycznej wykorzystuje kwantowy efekt Halla, który również stanowi podstawę pracy wykonanej na nadprzewodnikach.
Efekt Halla, odkryty przez Edwina Halla w 1879 roku, obserwuje się, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik umieszczony w polu magnetycznym. Nośniki ładunku, które są zwykle elektronami, ale mogą być protonami, rozpraszają się na bok przewodnika z powodu wpływu pola magnetycznego. Zjawisko to można przedstawić jako serię samochodów popychanych na boki z powodu silnego wiatru podczas zjazdu z autostrady. Samochody próbują jechać do przodu zakrzywioną ścieżką, ale są zmuszane do jazdy na boki.
Powstaje potencjalna różnica między bokami przewodnika. Różnica napięć jest dość niewielka i jest funkcją składu przewodnika. Wzmocnienie sygnału jest konieczne do stworzenia użytecznych instrumentów opartych na efekcie Halla. Ta nierównowaga potencjału elektrycznego jest zasadą stojącą za sondą Halla mierzącą pola magnetyczne.
Wraz z popularnością półprzewodników fizycy zainteresowali się badaniem efektu Halla w tak cienkich foliach, że nośniki ładunku były zasadniczo ograniczone do ruchu w dwóch wymiarach. Zastosowali prąd do folii przewodzących w silnych polach magnetycznych i niskich temperaturach. Zamiast widzieć, jak elektrony ciągną się na boki po zakrzywionych ciągłych ścieżkach, elektrony wykonały nagłe skoki. Występowały ostre szczyty w oporze przepływu przy określonych poziomach energii wraz ze zmianą siły pola magnetycznego. Pomiędzy pikami rezystancja spadła do wartości bliskiej zeru, charakterystycznej dla niskotemperaturowych nadprzewodników.
Fizycy zdali sobie również sprawę, że poziom energii niezbędny do spowodowania skoku oporności nie był funkcją składu przewodnika. Piki rezystancji występowały przy wielokrotnościach liczb całkowitych względem siebie. Te piki są tak przewidywalne i spójne, że instrumenty oparte na kwantowym efekcie Halla można wykorzystać do stworzenia standardów odporności. Takie standardy są niezbędne do testowania elektroniki i zapewnienia niezawodnego działania.
Kwantowa teoria struktury atomowej, która jest koncepcją, że energia jest dostępna w dyskretnych, całych pakietach na poziomie subatomowym, przewidziała kwantowy efekt Halla już w 1975 roku. W 1980 roku Klaus von Klitzing otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za jego odkrycie, że kwantowy efekt Halla był rzeczywiście dokładnie dyskretny, co oznacza, że elektrony mogły istnieć tylko w ściśle określonych poziomach energii. Kwantowy efekt Halla stał się kolejnym argumentem na rzecz kwantowej natury materii.