Что такое квантовый эффект Холла?

Квантовый эффект Холла является хорошо принятой в физике теорией, описывающей поведение электронов в магнитном поле при экстремально низких температурах. Наблюдения за эффектом четко обосновывают теорию квантовой механики в целом. Результаты настолько точны, что в стандарте измерения электрического сопротивления используется квантовый эффект Холла, который также лежит в основе работы, проделанной над сверхпроводниками.

Эффект Холла, открытый Эдвином Холлом в 1879 году, наблюдается, когда электрический ток проходит через проводник, помещенный в магнитное поле. Носители заряда, которые обычно являются электронами, но могут быть протонами, рассеиваются в сторону проводника из-за влияния магнитного поля. Это явление можно представить как серию автомобилей, сбитых из-за сильного ветра при движении по шоссе. Автомобили выбирают изогнутый путь, пытаясь двигаться вперед, но вынуждены двигаться вбок.

Развивается разность потенциалов между сторонами проводника. Разница напряжений довольно мала и зависит от состава проводника. Усиление сигнала необходимо для создания полезных инструментов, основанных на эффекте Холла. Этот дисбаланс в электрическом потенциале является принципом датчика Холла, который измеряет магнитные поля.

С популярностью полупроводников физики заинтересовались исследованием эффекта Холла в фольгах, настолько тонких, что носители заряда были существенно ограничены движением в двух измерениях. Они прикладывали ток к проводящим фольгам в условиях сильных магнитных полей и низких температур. Вместо того, чтобы видеть, как электроны тянутся в стороны по изогнутым непрерывным путям, электроны совершали внезапные скачки. При изменении напряженности магнитного поля наблюдались резкие пики сопротивления потоку при определенных уровнях энергии. Между пиками сопротивление упало до значения, близкого к нулю, что характерно для низкотемпературных сверхпроводников.

Физики также поняли, что уровень энергии, необходимый для скачка сопротивления, не зависит от состава проводника. Пики сопротивления возникали при кратных друг другу целых числах. Эти пики настолько предсказуемы и последовательны, что инструменты, основанные на квантовом эффекте Холла, могут быть использованы для создания стандартов сопротивления. Такие стандарты необходимы для тестирования электроники и обеспечения надежной работы.

Квантовая теория строения атома, которая является концепцией, что энергия доступна в дискретных, целых пакетах на субатомном уровне, предсказала квантовый эффект Холла еще в 1975 году. В 1980 году Клаус фон Клитцинг получил Нобелевскую премию по физике за Открытие того факта, что квантовый эффект Холла был действительно совершенно дискретным, а это означает, что электроны могли существовать только на четко определенных уровнях энергии. Квантовый эффект Холла стал еще одним аргументом в поддержку квантовой природы материи.