Efekt Halla - kwantowy - Polski Serwis Naukowy

Kwantowy efekt Halla ma te same podstawy co klasyczny efekt Halla ale występujący w niższych temperaturach i wyższych polach magnetycznych.

Obniżanie temperatury i zwiększanie pola magnetycznego pozwala zaobserwować:

efekt Shubnikova – de Haasa (oscylacje kwantowe)

całkowity kwantowy efekt Halla

ułamkowy kwantowy efekt Halla

Całkowity kwantowy efekt Halla stosowany jest obecnie jako podstawa wyznaczania oma (jednostki oporu elektrycznego w układzie SI).

(Całkowity) kwantowy efekt Halla

Wyniki pomiarów QHE

(ang. IQHE / QHE – Quantum Hall Effect) uhonorowany Nagrodą Nobla w 1985 r. (patrz: linki na końcu artykułu) dla Klausa von Klitzinga. Stąd też nazwa niestandardowej jednostki oporu elektrycznego, klitzinga.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Warunkami koniecznymi do zaobserwowania kwantowego efektu Halla są:

bardzo niska temperatura (<4,2 K)

silne pole magnetyczne (do kilku tesli) – kwantowy efekt Halla łatwo zaobserwować na wykresie oporu Halla (potencjał Halla podzielony przez prąd sterujący płynący wzdłuż próbki) od indukcji pola magnetycznego.

próbka musi mieć specjalną strukturę – taką, by elektrony przewodnictwa miały w niej swobodę tylko w dwóch wymiarach (ang. 2DEG – two dimensional electron gas).

Kwantowy efekt Halla polega na przyjmowaniu przez opór elektryczny materiału określonych dyskretnych wartości, podobnie jak inne skwantowane wielkości fizyczne (ładunek elektryczny, pęd, energia elektronów w atomach pierwiastków chemicznych). Wartość oporu elektrycznego jest opisana wzorem: $R=\frac{h}{i*e^2}$ ,

Pęd – w mechanice wielkość fizyczna opisująca ruch ciała. Pęd mają wszystkie formy materii, np. ciała obdarzone masą spoczynkową, pole elektromagnetyczne, pole grawitacyjne.

Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

gdzie h - stała Plancka, i - liczba naturalna (1, 2, 3, ...), e - ładunek elektryczny elementarny, i dla kolejnych liczb naturalnych wynosi około 25 813Ω, 12 906Ω, 8 604Ω, 6 453Ω, 5 163Ω, itd.

Ułamkowy kwantowy efekt Halla

Wyniki pomiarów FQHE

(ang. FQHE) Również uhonorowany Nagrodą Nobla (1998).

Linki zewnętrzne

http://info.ifpan.edu.pl/ON-1/Artykuly/K.Wysokinski.1985.pdf

http://nobelprize.org/physics/laureates/1985/index.html (ang.)

poniższe 3 linki z: http://www.fkf.mpg.de/klitzing (ang.)

http://www.warwick.ac.uk/~phsbm/qhe.htm (ang.)

http://www.pha.jhu.edu/%7Eqiuym/qhe/qhe.html (ang.)