Halla zjawisko kwantowe

Halla zjawisko kwantowe, kwantowy efekt Halla,

zjawisko Halla występujące w strukturach półprzewodnikowych zawierających dwuwymiarowy gaz elektronowy, wywołane polem magnet. o kierunku prostopadłym do płaszczyzny, w której znajduje się gaz;

występuje w przypadku silnych pól magnet. (rzędu kilku T) i w bardzo niskiej temp. (ok. 4 K i niższej). Dwuwymiarowy gaz elektronowy może gromadzić się na granicy 2 różnych odpowiednio domieszkowanych półprzewodników, np. AlGaAs i GaAs, tworzących tzw. heterostrukturę. W odróżnieniu od klas. zjawiska Halla, w którym poprzeczne napięcie Halla U_H rośnie liniowo z natężeniem pola magnet., w przypadku k.z.H. obserwuje się schodkowy wzrost U_H. Rozróżnia się całkowite i ułamkowe k.z.H.

W przypadku całkowitego k.z.H. na krzywej, przedstawiającej zależność oporu Halla R (tj. stosunku U_H do natężenia prądu płynącego przez próbkę) od natężenia pola magnet., występują tzw. obszary plateau (odcinki poziome), odpowiadające wartościom oporu, które można określić za pomocą stałych uniwersalnych (stałej Plancka h i ładunku elementarnego e), na podstawie zależności R = (1/n)(h/e²), gdzie n jest liczbą całkowitą, a h/e² = 25812,81 Ω (tzw. kwantowa jednostka oporu); może to być wykorzystane przy konstruowaniu wzorca oporu elektrycznego. Całkowite k.z.H. występuje w takim zakresie temperatury i natężenia pola magnet., w jakim elektron porusza się, pod działaniem siły Lorentza, wokół linii sił pola magnet. po zamkniętych orbitach kołowych (orbitach cyklotronowych). Energia elektronu może przyjmować tylko pewne określone wartości, zw. energiami lub poziomami Landaua, a liczba n, odpowiada liczbie poziomów Landaua całkowicie obsadzonych elektronami. Całkowite k.z.H. zostało odkryte 1980 przez K. von Klitzinga (Nagroda Nobla z fizyki 1985).

Ułamkowe k.z.H. występuje w dwuwymiarowym gazie elektronowym w silniejszych polach magnet. niż całkowite k.z.H. i w temperaturze poniżej 1 K. Krzywa zależności oporu Halla od natężenia pola magnet. również wykazuje obecność obszarów plateau; opór w tych obszarach jest opisany wyrażeniem R = (1/ν)(h/e²), gdzie ν jest liczbą przyjmującą wartości pewnych prostych ułamków wymiernych, np. 1/3, 2/5; odpowiadają one ułamkowym obsadzeniom najniższego poziomu Landaua. Teoria zjawiska, zaproponowana przez R.B. Laughlina, przewiduje, że dwuwymiarowy układ oddziałujących ze sobą elektronów odznacza się osobliwymi właściwościami — zachowuje się jak nieściśliwa ciecz elektronowa, która stanowi stan materii niepodobny do wszystkich innych stanów skupienia materii skondensowanej. Teoria Laughlina przewiduje m.in. występowanie kwazicząstek o ułamkowym ładunku elektrycznym. Ułamkowe k.z.H. odkryli 1982 badacze z Bell Laboratories: D.C. Tsui, H.L. Störmer i A.C. Gossard; 1998 Laughlin, Störmer i Tsui otrzymali za jego odkrycie i wyjaśnienie Nagrodę Nobla z fizyki.