本溪市機(jī)電工程學(xué)校 王 東

淺談從霍爾效應(yīng)到量子反常霍爾效應(yīng)

本溪市機(jī)電工程學(xué)校 王 東

本文通過介紹霍爾效應(yīng)的基本原理和發(fā)展歷程，對(duì)霍爾效應(yīng)未來應(yīng)用趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，使讀者更好的了解霍爾效應(yīng)家族各個(gè)成員和未來應(yīng)用的展望。

電子技術(shù)；霍爾效應(yīng)；物理現(xiàn)象；量子反常霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾(Edwim Herbert Hall)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的。在當(dāng)今電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等許多科技領(lǐng)域，霍爾效應(yīng)都有著廣泛的應(yīng)用。近年來借助于新型半導(dǎo)體材料、低維物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，關(guān)于霍爾效應(yīng)的研究，科學(xué)家們有了許多突破性的發(fā)現(xiàn)。

一、霍爾效應(yīng)的基本原理

1879年，霍爾（E.H.Hall）在做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線中的電流是否有影響時(shí)，卻意外發(fā)現(xiàn)了一種特殊的現(xiàn)象：載流導(dǎo)板置于磁場(chǎng)中，當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，導(dǎo)板兩側(cè)間出現(xiàn)了橫向電勢(shì)差U。這個(gè)現(xiàn)象可以通過運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力進(jìn)行解釋：如果在一個(gè)通電導(dǎo)體中，施加一個(gè)與電流方向相垂直的磁場(chǎng)，在洛倫茲力的作用下，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與磁場(chǎng)和電流方向垂直的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。通過大量實(shí)驗(yàn)得出，霍爾電壓U與導(dǎo)體電流I、磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與導(dǎo)板厚度d成反比。導(dǎo)板兩端間形成的電勢(shì)差U稱為霍爾電壓。公式為：

這個(gè)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)震動(dòng)了當(dāng)時(shí)的科學(xué)界，很多國家的科研人員開始轉(zhuǎn)向研究這一領(lǐng)域。

二、霍爾效應(yīng)的發(fā)展

1.整數(shù)量子霍爾效應(yīng)

1980年，德國科學(xué)家馮·克利青（VonKlitzing）首先發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，在極低溫度1.5K和強(qiáng)磁場(chǎng)18.9T條件下，測(cè)量金屬——氧化物——半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨磁場(chǎng)的變化，霍爾電阻RH出現(xiàn)了一系列量子化數(shù)值，即：

式中， h為普朗克常數(shù)，N為正整數(shù)，e為電子電量。

這種現(xiàn)象被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這與經(jīng)典霍爾效應(yīng)理論中“霍爾電阻隨B 連續(xù)變化并隨著載流子濃度n的增大而減小”相矛盾，該發(fā)現(xiàn)獲得1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

2.分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

1982年，美國科學(xué)家崔琦（Daniel C. Tsui）、和史特莫（Horst L. Stormer）等人發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，在0.1K的超低溫度和20T的強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，測(cè)量具有高遷移率的二維電子氣系統(tǒng)樣品，也發(fā)現(xiàn)了在一定范圍內(nèi)橫向霍爾電阻呈現(xiàn)平臺(tái)現(xiàn)象，出乎意料的是，這些平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是分?jǐn)?shù)值，而不是原有量子霍爾效應(yīng)理論的整數(shù)值，即：

美國科學(xué)家勞夫林（Robert B. Laughlin）運(yùn)用波函數(shù)對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)進(jìn)行理論解釋，三人共同榮獲1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

3.半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)

2005年，英國科學(xué)家安德烈·海姆（AndreGeim）和俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·諾沃舍洛夫（Konstantin Novoselov）在實(shí)驗(yàn)中分離出石墨烯，成功在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。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(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強(qiáng)度最高的材料。他們獲得了2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，這是最近一次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)。

4. 量子化自旋霍爾效應(yīng)

2007年，美國斯坦福大學(xué)的研究小組宣布發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)新狀態(tài)，其具有“十分特別的”半導(dǎo)體性能,表現(xiàn)為能量損耗更低和發(fā)熱量更少，通過碲絡(luò)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(jié)構(gòu)，并通過控制勢(shì)阱的厚度導(dǎo)致相變，從而生成一種物質(zhì)新狀態(tài),這種狀態(tài)不需要摻雜任何物質(zhì)就可以傳導(dǎo)電子，這種狀態(tài)下電流只流動(dòng)在物體邊緣。該狀態(tài)下電子以新的姿勢(shì)非常有序地“舞蹈”，從而使能量耗散很低。量子自旋霍爾效應(yīng)找到了電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間的規(guī)律，該成果獲得2010年歐洲物理獎(jiǎng)和2012年的美國物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)。

5.量子反?；魻栃?yīng)

2012年10月12日，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)（即零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)），該現(xiàn)象是世界物理學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，也是我國科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象。這項(xiàng)成果于2013年3月15日凌晨在美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表，被該雜志評(píng)審評(píng)價(jià)為：“結(jié)束了多年對(duì)量子反?；魻栃?yīng)的探尋，是一項(xiàng)里程碑式的工作?！绷孔臃闯；魻栃?yīng)是霍爾效應(yīng)研究領(lǐng)域的又一重大進(jìn)展，同時(shí)也很有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員。此項(xiàng)研究成果將會(huì)加速電子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的進(jìn)程，推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子元器件的發(fā)展。諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧教授評(píng)價(jià)其為“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)”。

三、霍爾效應(yīng)的未來展望

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，許多常用電子器件都源于霍爾效應(yīng)，例如汽車上就包括ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、液體物理量檢測(cè)器、信號(hào)傳感器等霍爾器件。

中國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)，就有可能利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展出新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，從而解決摩爾定律的瓶頸問題和電腦元件發(fā)熱問題?？茖W(xué)家有可能實(shí)現(xiàn)在無需強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下，電子按照固定軌跡運(yùn)動(dòng)，減少無規(guī)則碰撞導(dǎo)致的能量損耗和發(fā)熱。通過密度集成，將來計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(xué)專題研究[M].北京:高等教育出版社,2001.

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

[3]王世康.霍爾元件的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].勝利油田師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),1998,(4):19—21.

[4]武瑞蘭,馬文采,徐昌業(yè).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].中國計(jì)量出版社.

[5]劉戰(zhàn)存,鄭余梅.霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[M].大學(xué)物理,2007,(11).