Vad är kvanthallens effekt?
Kvante Hall-effekten är en väl accepterad teori inom fysik som beskriver uppförandet av elektroner inom ett magnetfält vid extremt låga temperaturer. Observationer av effekten underbygger tydligt teorin om kvantmekanik som helhet. Resultaten är så exakta att standarden för mätning av elektriskt motstånd använder kvant Hall-effekten, vilket också ligger till grund för arbetet på superledare.
Hall-effekten, som upptäcktes av Edwin Hall 1879, observeras när en ström av elektricitet passerar genom en ledare placerad i ett magnetfält. Laddningsbärare, som vanligtvis är elektroner men kan vara protoner, sprids till ledarens sida på grund av magnetfältets påverkan. Fenomenet kan visualiseras som en serie bilar som skjuts i sidled på grund av en stark vind medan de går ner på en motorväg. Bilarna tar en böjd väg när de försöker köra framåt men tvingas i sidled.
En potentiell skillnad mellan sidorna på ledaren utvecklas. Spänningsskillnaden är ganska liten och är en funktion av ledarens sammansättning. Förstärkning av signalen är nödvändig för att göra användbara instrument baserade på Hall-effekten. Denna obalans i elektrisk potential är principen bakom en Hall-sond som mäter magnetfält.
Med halvledarens popularitet blev fysiker intresserade av att undersöka Hall-effekten i folier så tunna, laddningsbärarna begränsades väsentligen till rörelse i två dimensioner. De applicerade ström på ledande folier under starka magnetfält och låga temperaturer. I stället för att se elektroner dras i sidled i böjda kontinuerliga banor, gjorde elektronerna plötsliga hopp. Det fanns skarpa toppar i motståndet mot flöde vid specifika energinivåer när magnetfältstyrkan ändrades. Mellan topparna sjönk motståndet till ett värde nära noll, ett kännetecken för lågledande superledare.
Fysikerna insåg också att den energinivå som behövdes för att orsaka en spik i motstånd inte var en funktion av ledarens sammansättning. Motståndstopparna inträffade vid heltalmultiplar av varandra. Dessa toppar är så förutsägbara och konsekventa att instrument baserade på kvant Hall-effekten kan användas för att skapa standarder för resistens. Sådana standarder är viktiga för att testa elektronik och säkerställa tillförlitlig prestanda.
Kvantteorin om atomstrukturen, som är begreppet att energi finns tillgängliga i diskreta, hela paket på subatomisk nivå, hade förutspått kvant Hall-effekten redan 1975. År 1980 fick Klaus von Klitzing Nobelpriset i fysik för sin upptäckten att kvant Hall-effekten verkligen var exakt diskret, vilket innebär att elektronerna bara kunde existera i skarpt definierade energinivåer. Kvant Hall-effekten har blivit ett annat argument till stöd för kvantitetens natur.