淺談從霍爾效應到量子反常霍爾效應

本溪市機電工程學校 王 東

淺談從霍爾效應到量子反常霍爾效應

本溪市機電工程學校 王 東

本文通過介紹霍爾效應的基本原理和發展歷程，對霍爾效應未來應用趨勢做出預測，使讀者更好的了解霍爾效應家族各個成員和未來應用的展望。

電子技術；霍爾效應；物理現象；量子反常霍爾效應

霍爾效應是美國物理學家霍爾(Edwim Herbert Hall)于1879年在研究金屬的導電機制時的指導下發現的。在當今電子技術、測量技術、自動控制技術等許多科技領域，霍爾效應都有著廣泛的應用。近年來借助于新型半導體材料、低維物理學等學科的發展，關于霍爾效應的研究，科學家們有了許多突破性的發現。

一、霍爾效應的基本原理

1879年，霍爾（E.H.Hall）在做實驗驗證磁場對導線中的電流是否有影響時，卻意外發現了一種特殊的現象：載流導板置于磁場中，當電流方向與磁場方向垂直時，導板兩側間出現了橫向電勢差U。這個現象可以通過運動電荷在磁場中受到洛倫茲力進行解釋：如果在一個通電導體中，施加一個與電流方向相垂直的磁場，在洛倫茲力的作用下，電子運動的軌跡會發生偏轉，與磁場和電流方向垂直的導體兩端產生電壓，這個現象就是著名的霍爾效應。通過大量實驗得出，霍爾電壓U與導體電流I、磁場磁感應強度B成正比，與導板厚度d成反比。導板兩端間形成的電勢差U稱為霍爾電壓。公式為：

這個效應的發現震動了當時的科學界，很多國家的科研人員開始轉向研究這一領域。

二、霍爾效應的發展

1.整數量子霍爾效應

1980年，德國科學家馮·克利青（VonKlitzing）首先發現了整數量子霍爾效應，在極低溫度1.5K和強磁場18.9T條件下，測量金屬——氧化物——半導體場效應晶體管時，發現隨磁場的變化，霍爾電阻RH出現了一系列量子化數值，即：

式中， h為普朗克常數，N為正整數，e為電子電量。

這種現象被稱為整數量子霍爾效應，這與經典霍爾效應理論中“霍爾電阻隨B 連續變化并隨著載流子濃度n的增大而減小”相矛盾，該發現獲得1985年諾貝爾物理獎。

2.分數量子霍爾效應

1982年，美國科學家崔琦（Daniel C. Tsui）、和史特莫（Horst L. Stormer）等人發現了分數量子霍爾效應，在0.1K的超低溫度和20T的強磁場條件下，測量具有高遷移率的二維電子氣系統樣品，也發現了在一定范圍內橫向霍爾電阻呈現平臺現象，出乎意料的是，這些平臺對應的是分數值，而不是原有量子霍爾效應理論的整數值，即：

美國科學家勞夫林（Robert B. Laughlin）運用波函數對分數量子霍爾效應進行理論解釋，三人共同榮獲1998年諾貝爾物理獎。

3.半整數量子霍爾效應

2005年，英國科學家安德烈·海姆（AndreGeim）和俄羅斯科學家康斯坦丁·諾沃舍洛夫（Konstantin Novoselov）在實驗中分離出石墨烯，成功在常溫下觀察到量子霍爾效應。石墨烯厚度只有0.335納米，是一種“超薄的碳膜”，是迄今為止發現的厚度最薄和強度最高的材料。他們獲得了2010年的諾貝爾物理獎，這是最近一次與霍爾效應有關的諾貝爾獎。

4. 量子化自旋霍爾效應

2007年，美國斯坦福大學的研究小組宣布發現了一種物質新狀態，其具有“十分特別的”半導體性能,表現為能量損耗更低和發熱量更少，通過碲絡化合物和碲汞化合物的疊層扭曲，獲得一種類似于砷化鎵和硅的新型晶格結構，并通過控制勢阱的厚度導致相變，從而生成一種物質新狀態,這種狀態不需要摻雜任何物質就可以傳導電子，這種狀態下電流只流動在物體邊緣。該狀態下電子以新的姿勢非常有序地“舞蹈”，從而使能量耗散很低。量子自旋霍爾效應找到了電子自轉方向與電流方向之間的規律，該成果獲得2010年歐洲物理獎和2012年的美國物理學會巴克利獎。

5.量子反常霍爾效應

2012年10月12日，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的研究團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應（即零磁場中的量子霍爾效應），該現象是世界物理學基礎研究領域的一項重要發現，也是我國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現象。這項成果于2013年3月15日凌晨在美國《科學》雜志在線發表，被該雜志評審評價為：“結束了多年對量子反常霍爾效應的探尋，是一項里程碑式的工作。”量子反常霍爾效應是霍爾效應研究領域的又一重大進展，同時也很有可能是量子霍爾效應家族的最后一個重要成員。此項研究成果將會加速電子信息技術領域發展的進程，推動新一代低能耗晶體管和電子元器件的發展。諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授評價其為“諾貝爾獎級的發現”。

三、霍爾效應的未來展望

在人們日常生活中，許多常用電子器件都源于霍爾效應，例如汽車上就包括ABS系統中的速度傳感器、發動機轉速及曲軸角度傳感器、液體物理量檢測器、信號傳感器等霍爾器件。

中國科學家在實驗中實現了零磁場中的量子霍爾效應，就有可能利用其無耗散的邊緣態發展出新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決摩爾定律的瓶頸問題和電腦元件發熱問題。科學家有可能實現在無需強磁場的條件下，電子按照固定軌跡運動，減少無規則碰撞導致的能量損耗和發熱。通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成IPAD那么大，未來的電腦也可能不再需要散熱器。

[1]陳秉乾,舒幼生,胡望雨.電磁學專題研究[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]楊錫震,田強.量子霍爾效應[J].物理實驗,2001,(6):3-7.

[3]王世康.霍爾元件的特點及應用[J].勝利油田師范專科學校學報,1998,(4):19—21.

[4]武瑞蘭,馬文采,徐昌業.大學物理實驗[M].中國計量出版社.

[5]劉戰存,鄭余梅.霍爾效應的發現[M].大學物理,2007,(11).