Vad är Quantum Hall -effekten?

Kvanthallens effekt är en väl accepterad teori i fysik som beskriver beteendet hos elektroner inom ett magnetfält vid extremt låga temperaturer.Observationer av effekten underhåller tydligt teorin om kvantmekanik som helhet.Resultaten är så exakta att standarden för mätning av elektrisk motstånd använder kvanthalleffekten, som också understödjer arbetet som gjorts på superledare.

Halleffekten, upptäckt av Edwin Hall 1879, observeras när en ström av el passerargenom en ledare placerad i ett magnetfält.Laddningsbärare, som vanligtvis är elektroner men kan vara protoner, sprids till sidan av ledaren på grund av magnetfältets påverkan.Fenomenet kan visualiseras som en serie bilar som skjuts i sidled på grund av en stark vind medan du går ner på en motorväg.Bilarna tar en krökt stig när de försöker köra framåt men tvingas i sidled.

En potentiell skillnad mellan ledarens sidor utvecklas.Spänningsskillnaden är ganska liten och är en funktion av ledarens sammansättning.Amplifiering av signalen är nödvändig för att göra användbara instrument baserat på halleffekten.Denna obalans i elektrisk potential är principen bakom en hallsond som mäter magnetfält.

Med populariteten för halvledare blev fysiker intresserade av att undersöka halleffekten i så tunna folier var laddningsbärarna väsentligen begränsade till rörelse i två dimensioner.De applicerade ström på ledande folier under starka magnetfält och låga temperaturer.Istället för att se elektroner dras i sidled i böjda kontinuerliga stigar gjorde elektronerna plötsliga hopp.Det fanns skarpa toppar i motståndet mot flödet vid specifika energinivåer när magnetfältstyrkan ändrades.Mellan topparna sjönk motståndet till ett värde nära noll, ett kännetecken för superledare med låg temperatur.Motståndstopparna inträffade vid multiplar av hela number av varandra.Dessa toppar är så förutsägbara och konsekventa att instrument baserat på kvanthalleffekten kan användas för att skapa standarder för motstånd.Sådana standarder är viktiga för att testa elektronik och säkerställa tillförlitlig prestanda.

Kvantteorin om atomstruktur, som är konceptet att energi finns i diskreta, hela paket på den subatomiska nivån, hade förutspått kvanthallens effekt redan 1975.1980 fick Klaus von Klitzing Nobelpriset i fysik för sin upptäckt att kvanthalleffekten verkligen var exakt diskret, vilket innebär att elektronerna endast kunde existera i kraftigt definierade energinivåer.Kvanthalleffekten har blivit ett annat argument till stöd för kvantens natur.