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量子霍爾效應(yīng)，量子霍爾效應(yīng)

來源：整理時間：2023-08-29 12:07:44 編輯：智能門戶手機版

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1，量子霍爾效應(yīng)
2，量子霍爾效應(yīng)的介紹
3，什么是量子霍爾效應(yīng)
4，量子反?；魻栃?yīng)的名詞解釋
5，什么叫量子化霍爾效應(yīng)
6，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

1，量子霍爾效應(yīng)

物質(zhì)中任何一點產(chǎn)生的感應(yīng)電場強度與電流密度和磁感應(yīng)強度之矢量積成正比

量子霍爾效應(yīng)

2，量子霍爾效應(yīng)的介紹

量子霍爾效應(yīng)（quantum Hall effect）包括整數(shù)量子霍耳效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。霍爾電阻的變化是量子化形式的現(xiàn)象。

量子霍爾效應(yīng)的介紹

3，什么是量子霍爾效應(yīng)

量子霍耳效應(yīng)是繼1962年約瑟夫森效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后又一個對基本物理常數(shù)有重大意義的固體量子效應(yīng)。它是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理學(xué)和有關(guān)新技術(shù)(包括低溫、超導(dǎo)、真空、半導(dǎo)體工藝、強磁場等)綜合發(fā)展加上馮·克利青創(chuàng)造性的研究工作所取得的重要成果。

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（a.h.hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。

什么是量子霍爾效應(yīng)

4，量子反?；魻栃?yīng)的名詞解釋

量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進，“這就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在各行其道、互不干擾的高速路上前進。”然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，“相當(dāng)于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。”而量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/section>

5，什么叫量子化霍爾效應(yīng)

他在長方形導(dǎo)體薄片上通以電流，沿電流的垂直方向加磁場，發(fā)現(xiàn)在與電流和磁場兩者垂直的兩側(cè)面產(chǎn)生了電勢差。后來這個效應(yīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體研究。一百年過去了。1980年一種新的霍耳效應(yīng)又被發(fā)現(xiàn)。這就是德國物理學(xué)家馮·克利青從金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）發(fā)現(xiàn)的量子霍耳效應(yīng)。他在硅MOSFET管上加兩個電極，把MOSFET管放到強磁場和深低溫下，證明霍耳電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)一系列平臺，與平臺相應(yīng)的霍耳電阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整數(shù)1，2，3，……，這一發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理學(xué)、各門新技術(shù)（包括低溫、超導(dǎo)、真空、半導(dǎo)體工藝、強磁場等）綜合發(fā)展以及馮·克利青創(chuàng)造性的研究工作所取得的重要成果。

量子霍爾效應(yīng) k. von klitzing，g. dorda，m. pepper于1979年發(fā)現(xiàn)，霍爾常數(shù)（強磁場中，縱向電壓和橫向電流的比值）是量子化的，rh＝v/i＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。這種效應(yīng)稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。進而,at&t的d. tsui、h. stormer和a.gossard發(fā)現(xiàn)，隨著磁場增強，在v＝1/3,1/5,1/7…等處，霍爾常數(shù)出現(xiàn)了新的臺階。這種現(xiàn)象稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。 r. laughlin 給出了解釋，他認為，由于極少量雜質(zhì)的出現(xiàn)，整數(shù)v個朗道能級被占據(jù)，這導(dǎo)致電場與電子密度的比值b/ρ為h/ev，從而導(dǎo)致霍爾常數(shù)出現(xiàn)臺階。他還指出，由于在那些分?jǐn)?shù)占有數(shù)處，電子形成了一種新的穩(wěn)定流體，正是這些電子中的排斥作用導(dǎo)致了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。

6，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是一種磁電效應(yīng)，是德國物理學(xué)家霍爾1879年研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。通過該實驗可以了解霍爾效應(yīng)的物理原理以及把物理原理應(yīng)用到測量技術(shù)中的基本過程。當(dāng)電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時，在垂直于磁場和電流方向的導(dǎo)體的兩個端面之間出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓）。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－【詳細】所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強的霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為UH=RHIB/d （18）RH=1/nq（金屬）（19）式中 RH——霍爾系數(shù)： n——載流子濃度或自由電子濃度； q——電子電量； I——通過的電流； B——垂直于I的磁感應(yīng)強度； d——導(dǎo)體的厚度。對于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達式與式（19）不同，此處從略。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時產(chǎn)生的霍爾電位差與電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。

量子霍爾效應(yīng)（quantum hall effect）是量子力學(xué)版本的霍爾效應(yīng)，需要在低溫強磁場的極端條件下才可以被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而出現(xiàn)量子化平臺。在某些人造的二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，電子氣限制在極薄的一層之內(nèi)運動，在垂直層面方向施加強磁場，在層面與電流i相垂直的方向上出現(xiàn)電勢差vh，稱為霍耳電壓，rh=vh/i稱為霍耳電阻。經(jīng)典霍耳效應(yīng)表明，rh隨所加磁場的磁感應(yīng)強度b增加而增加，呈線性關(guān)系。1980年馮·克利青在4.2k或更低溫度測量這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的霍耳電阻，發(fā)現(xiàn)rh與b的關(guān)系是在總的直線趨勢上出現(xiàn)一系列平臺，平臺處的rh=h/ie2，這里i是正整數(shù)，h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。該現(xiàn)象稱為整數(shù)量子霍耳效應(yīng)。

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