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 voorbijgaatdoor een geleider geplaatst in een magnetisch veld.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 het elektrische potentieel is het principe achter een halsonde die magnetische velden meet.

Met de populariteit van halfgeleiders raakten fysici geïnteresseerd in het onderzoeken van het Hall -effect in zo dun, 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 supergeleiders met lage temperatuur.

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 garanderen van betrouwbare prestaties.

De kwantumtheorie van de atomaire structuur, het concept dat energie beschikbaar is in discrete, hele pakketten op subatomair niveau, had het Quantum Hall -effect al in 1975 voorspeld.In 1980 ontving Klaus von Klitzing de Nobelprijs voor de fysica voor zijn ontdekking dat het Quantum Hall -effect inderdaad precies discreet was, wat betekent dat de elektronen alleen in sterk gedefinieerde niveaus van energie konden bestaan.Het Quantum Hall -effect is een ander argument geworden ter ondersteuning van de kwantumkarakter van materie.