Hall-efekti ja siihen perustuvat anturit

Amerikkalainen tutkija Edwin Herbert Hall löysi Hall-efektin vuonna 1879. Sen ydin on seuraava (katso kuva). Jos virta johdetaan johtavan levyn läpi ja magneettikenttä on suunnattu kohtisuoraan levyyn nähden, jännite näkyy virtaan nähden poikittaisessa suunnassa (ja magneettikentän suunnassa): Uh = (RhHlsinw) / d, missä Rh on Hall-kerroin, joka riippuu johtimen materiaalista; H on magneettikentän voimakkuus; I on johtimen virta; w on virran suunnan ja magneettikentän induktiovektorin välinen kulma (jos w = 90 °, sinw = 1); d on materiaalin paksuus.

Koska tuottovaikutus määritetään kahden määrän (H ja I) tuloksella, Hall-antureita käytetään erittäin laajasti. Taulukossa on esitetty erilaisten metallien ja seosten Hall-kertoimet. Nimitykset: Т - lämpötila; B on magneettinen vuo; Rh - Hall-kerroin yksikköinä m3 / C.

Hall-ilmiöön perustuvia Hall-efektikytkimiä on käytetty ulkomailla melko laajasti 70-luvun alusta lähtien. Tämän kytkimen etuja ovat korkea luotettavuus ja kestävyys, pienet mitat ja haitat ovat jatkuva energiankulutus ja suhteellisen korkeat kustannukset.

Halligeneraattorin toimintaperiaateja

Hall-anturi on muotoiltu rakoon. Puolijohde sijaitsee raon toisella puolella, jonka läpi virta virtaa, kun sytytysvirta kytketään, ja toisaalta kestomagneetti.

Magneettisessa kentässä liikkuvaan elektroniin vaikuttaa voima. Voimavektori on kohtisuoraan sekä kentän magneettisten että sähköisten komponenttien suuntaan.

Jos puolijohdekiekko (esimerkiksi indium-arsenidistä tai indium-antimonidista) viedään magneettikentään induktiolla sähkövirraksi, syntyy potentiaaliero sivuilla, kohtisuorassa virran suuntaan. Hallijännite (Hall EMF) on verrannollinen virran ja magneettisen induktioon.

Levyn ja magneetin välillä on rako. Anturin raossa on teräsverkko. Kun raossa ei ole näyttöä, puolijohdelevyyn vaikuttaa magneettikenttä ja potentiaaliero poistetaan siitä. Jos seula on raossa, magneettiset voimalinjat sulkeutuvat seulan läpi eivätkä toimi lautasella, tässä tapauksessa potentiaalieroa ei esiinny levyllä.

Integroitu piiri muuntaa levylle luodun potentiaaliero anturin lähdössä tietyn arvon negatiivisiksi jännitepulsseiksi. Kun näyttö on anturin raossa, sen ulostulossa on jännitettä. Jos anturin raossa ei ole näyttöä, anturin lähdössä jännite on lähellä nollaa.

Murtoluku kvanttisaalitehoste

Hall-ilmiöstä on kirjoitettu paljon, tätä vaikutusta käytetään laajasti tekniikassa, mutta tutkijat jatkavat sen tutkimista. Vuonna 1980 saksalainen fyysikko Klaus von Klitzung tutki Hall-efektin toimintaa ultravirtauslämpötiloissa. Ohuessa puolijohdelevyssä von Klitzung muutti sujuvasti magneettikentän voimakkuutta ja havaitsi, että Hall-vastus ei muutu tasaisesti, vaan hyppyinä. Hypyn voimakkuus ei riippunut materiaalin ominaisuuksista, vaan se oli yhdistelmä fysikaalisia vakioita, jotka jaettiin vakioarvolla. Kävi ilmi, että kvanttimekaniikan lait muuttivat jotenkin Hall-vaikutuksen luonnetta. Tätä ilmiötä on kutsuttu yhtenäiseksi kvanttisaalitehosteeksi. Tästä löytöstä von Klitzung sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1985.

Kaksi vuotta sen jälkeen, kun von Klitzung löydettiin Bell Telephone -laboratoriosta (siinä, jossa transistori avattiin), Stormerin ja Tsuin työntekijät tutkivat kvanttihalli-ilmiötä käyttämällä poikkeuksellisen puhdasta näyttettä samasta laboratoriosta valmistetusta suuresta gallium-arsenidista.Näytteellä oli niin korkea puhtausaste, että elektronit ohittivat sen päästä päähän ilman esteitä. Stormer- ja Tsui-kokeet tapahtuivat paljon matalammassa lämpötilassa (melkein absoluuttinen nolla) ja voimakkaammilla magneettikentöillä kuin von Klitzung -kokeessa (miljoona kertaa enemmän kuin Maan magneettikenttä).

Stormer ja Tsui löysivät suureksi yllätyksekseen Hall-vastarinnan harppauksen, joka oli kolme kertaa suurempi kuin von Klitzung. Sitten he havaitsivat vielä suuremmat harppaukset. Tuloksena oli sama fysikaalisten vakioiden yhdistelmä, mutta jaettuna ei kokonaisluvulla, vaan murto-osalla. Fyysikot lataavat elektronin vakiona, jota ei voida jakaa osiin. Ja tässä kokeessa, kuten se oli, hiukkaset, joilla oli murto-varauksia. Vaikutusta kutsuttiin murto-kvanttihalliefektiksi.

Vuoden kuluttua tämän havainnosta La Flin -laboratorion työntekijä antoi teoreettisen selityksen vaikutuksesta. Hän totesi, että erittäin matalan lämpötilan ja voimakkaan magneettikentän yhdistelmä saa elektronit muodostamaan puristamattoman kvantinesteen. Mutta tietokonegrafiikkaa käyttävä luku näyttää tasoa lävistävien elektronien (pallojen) virtauksen. Tason karkeudet edustavat yhden elektronin varauksen jakautumista magneettikentän ja muiden elektronien varauksen ollessa läsnä. Jos kvanttinesteeseen lisätään elektronia, muodostuu tietty määrä kvaasipartikkeleita, joilla on murto-osainen varaus (kuvassa tämä on esitetty nuoleina jokaiselle elektronille).
Vuonna 1998 Horst Stormer, Daniel Tsui ja Robert Laughlin saivat fysiikan Nobel-palkinnon. Tällä hetkellä H. Stormer on fysiikan professori Columbian yliopistossa, D. Tsui on professori Princetonin yliopistossa ja R. Laughlin on professori Stanfordin yliopistossa.