Дробний квантовий ефект холу

Дробний квантовий ефект Холла

Про ефект Холла написано багато, цей ефект інтенсивно використовується в техніці, але вчені продовжують його досліджувати. У 1980 р німецький фізик

Клаус фон Клітцунг вивчав роботу ефекту Холла при наднизьких температурах. У тонкій пластинці напівпровідника фон Клітцунг плавно змінював напруженість магнітного поля і виявив, що опір Холла змінюється не плавно, а стрибками. Величина стрибка не залежить від властивостей матеріалу, а була комбінацією фундаментальних фізичних констант, поділеній на постійне число. Виходило, що закони квантової механіки якимось чином змінювали природу ефекту Холла. Це явище було названо інтегральним квантовим ефектом Холла. За це відкриття фон Клітцунг отримав Нобелівську премію з фізики в 1985 р

Два роки по тому після відкриття фон Клітцунга в лабораторії компанії Bell Telephone (тієї самої, в якій був відкритий транзистор) співробітники Стормер і Тсуі вивчали квантовий ефект Холла, використовуючи виключно чистий зразок арсеніду галію великого розміру, виготовлений в цій же лабораторії. Зразок мав настільки високий ступінь чистоти, що електрони проходили його з кінця в кінець, не зустрічаючи перешкод. Експеримент Стормера і Тсуі проходив при набагато нижчій температурі (майже абсолютний нуль) і з більш потужними магнітними полями, ніж в експерименті фон Клітцунга (в мільйон разів більше, ніж магнітне поле Землі).

На своє велике здивування Стормер і Тсуі виявили стрибок в опорі Холла в три рази більший, ніж у фон Клітцунга. Потім вони виявили ще більші скачки. Виходила та ж комбінація фізичних постійних, але поділена нема на ціле, а на дробове число. Заряд електрона у фізиків вважається константою, що не ділимо на частини. А в цьому експерименті як би брали участь частинки з дробовими зарядами. Ефект був названий дробовим квантовим ефектом Холла.

Рік по тому після цього відкриття співробітник лабораторії Лафлін дав теоретичне пояснення ефекту. Він заявив, що комбінація наднизької температури і потужного магнітного поля змушує електрони утворювати нестисливої ​​квантову рідину.

На малюнку за допомогою комп'ютерної графіки показаний потік електронів (кулі), протикаючих площину. Нерівність площині представляють розподіл заряду одного з електронів в присутності магнітного поля і заряду інших електронів. Якщо електрон додається до квантової рідини, то утвориться деяка кількість квазичастиц з дробовим зарядом (на малюнку це показано як набір стрілок у кожного електрона).