分数量子ホール効果。スキーム、説明

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分数量子ホール効果。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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ホール効果については多くのことが書かれており、この効果はテクノロジーで集中的に使用されていますが、科学者たちは研究を続けています。 1980 年、ドイツの物理学者クラウスフォンクリッツングは、超低温におけるホール効果の動作を研究しました。フォン・クリッツングは、薄い半導体プレート内で磁場の強さを滑らかに変化させ、ホール抵抗は滑らかに変化せず、ジャンプすることを発見しました。ジャンプの大きさは材料の特性には依存せず、基本的な物理定数を定数で割った組み合わせでした。量子力学の法則がどういうわけかホール効果の性質を変えていることが判明しました。この現象は積分量子ホール効果と呼ばれています。この発見により、フォン・クリッツングは 1985 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

フォン・クリッツングがベル電話の研究室（トランジスタが発見されたのと同じ研究室）で発見されてから XNUMX 年後、ストーマーとツイは、同じ研究室で作られた非常に純粋で大量のガリウムヒ素サンプルを使用して量子ホール効果を研究していました。サンプルは非常に純度が高かったため、電子は障害物に遭遇することなく端から端まで通過しました。ストーマーとツイの実験は、フォン・クリッツングの実験よりもはるかに低い温度（ほぼ絶対零度）と強い磁場（地球の磁場よりもXNUMX万倍強い）で行われました。

驚いたことに、ストーマーとツイは、ホールの抵抗がフォン・クリッツングのXNUMX倍に跳ね上がっていることを発見した。その後、彼らはさらに大きなジャンプを発見しました。同じ物理定数の組み合わせが得られましたが、整数ではなく分数で除算されました。物理学者は、電子の電荷は定数であり、部分で割り切れないと考えています。そしてこの実験では、いわば、分数電荷を持った粒子が参加しました。この効果は分数量子ホール効果と呼ばれました。

この発見から XNUMX 年後、研究所の職員であるラフリンがその効果を理論的に説明しました。彼は、超低温と強力な磁場の組み合わせにより、電子が非圧縮性の量子流体を形成すると述べました。図は平面を突き抜ける電子（ボール）の流れをCGで表現したものです。平面の不規則性は、磁場の存在下での XNUMX つの電子の電荷と他の電子の電荷の分布を表します。

電子が量子液体に追加されると、分数電荷を持つ一定量の準粒子が形成されます (図では、これは各電子の矢印のセットとして示されています)。

分数量子ホール効果

1998年、ホースト・ストーマー、ダニエル・ツイ、ロバート・ラフリンがノーベル物理学賞を受賞した。現在、H. ストーマーはコロンビア大学の物理学の教授、D. ツイはプリンストン大学の教授、R. ラフリンはスタンフォード大学の教授です。

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