Hall-effektus és rajta alapuló érzékelők

A Hall-effektust 1879-ben fedezte fel Edwin Herbert Hall amerikai tudós. Ennek lényege a következő (lásd az ábrát). Ha egy áramot átvezetnek egy vezetőlemezen, és egy mágneses teret merőlegesen irányítanak a lemezre, akkor a feszültség az árammal keresztirányban (és a mágneses mező irányában) jelenik meg: Uh = (RhHlsinw) / d, ahol Rh a Hall-együttható, amely a vezető anyagától függ; H a mágneses térerősség; I vagyok a vezető áramában; w az áram iránya és a mágneses mező indukciós vektore közötti szög (ha w = 90 °, sinw = 1); d az anyag vastagsága.

Mivel a kimeneti hatást két mennyiség (H és I) szorzata határozza meg, a Hall érzékelőket nagyon széles körben használják. A táblázat a különféle fémek és ötvözetek Hall-együtthatóit mutatja. Megnevezések: Т - hőmérséklet; B a mágneses fluxus; Rh - Hall-együttható m3 / C-ben.

A Hall-effektuson alapuló Hall-effekt-kapcsolókat a 70-es évek eleje óta széles körben használják külföldön. Ennek a kapcsolónak az előnyei a nagy megbízhatóság és tartósság, a kis méretek, és a hátrányok az állandó energiafogyasztás és a viszonylag magas költségek.

A Hall generátor működésének elveés

A Hall érzékelő réselt kivitelű. A rés egyik oldalán félvezető található, amelyen keresztül áram áramlik a gyújtás bekapcsolásakor, másrészt pedig egy állandó mágnes.

A mágneses mezőben a mozgó elektronokat erő befolyásolja. Az erővektor merőleges a mező mágneses és elektromos komponenseinek irányára.

Ha egy félvezetõ ostyát (például indium-arzenidbõl vagy indium-antimonidbõl) vezetnek be egy mágneses mezõbe, indukcióval egy elektromos áramba, akkor az áram irányára merõleges oldalakon potenciálkülönbség merül fel. A hall feszültség (Hall EMF) arányos az árammal és a mágneses indukcióval.

A lemez és a mágnes között hézag van. Az érzékelő résében acél képernyő van. Ha nincs rács a résben, a mágneses mező hat a félvezető lemezre, és a potenciálkülönbséget eltávolítja belőle. Ha van egy képernyő a résben, akkor a mágneses erővonalak bezáródnak a képernyőn, és nem hatnak a tányérra, ebben az esetben a potenciálkülönbség a tányéron nem fordul elő.

Az integrált áramkör a lemezen létrehozott potenciálkülönbséget negatív feszültségimpulzusokká alakítja át az érzékelő kimenetén egy bizonyos értéknél. Ha a képernyő az érzékelő résében van, akkor annak feszültsége lesz a kimenetén; ha az érzékelő résében nincs képernyő, akkor az érzékelő kimenetén a feszültség nulla közelében van.

Frakcionált kvantum Hall effektus

Sokat írtak a Hall-effektusról, ezt a hatást intenzíven alkalmazzák a technológiában, de a tudósok továbbra is tanulmányozzák. Klaus von Klitzung német fizikus 1980-ban tanulmányozta a Hall-effektus működését ultraáramú hőmérsékleten. Egy vékony félvezető lemezben von Klitzung fokozatosan megváltoztatta a mágneses mező erősségét és megállapította, hogy a Hall ellenállása nem változik simán, hanem ugrásokban. Az ugrás nagysága nem az anyag tulajdonságaitól függ, hanem az alapvető fizikai állandók kombinációjával, egy állandó számmal osztva. Kiderült, hogy a kvantummechanika törvényei valamilyen módon megváltoztatják a Hall-hatás természetét. Ezt a jelenséget integrál kvantum-Hall effektusnak nevezték. Ezért a felfedezésért von Klitzung 1985-ben Nobel-fizikai díjat kapott.

Két évvel azután, hogy a Bell Telephone laboratóriumban felfedezték von Klitzung-t (az a transzisztor nyitva volt), a Stormer és a Tsui alkalmazottai a kvantum Hall-effektust tanulmányozták, egy ugyanabban a laboratóriumban elkészített nagy gallium-arzenid kivételesen tiszta mintájával.A minta oly magas fokú tisztaságú volt, hogy az elektronok akadályok nélkül átjutottak végéből a másikba. A Stormer és a Tsui kísérlet sokkal alacsonyabb hőmérsékleten (szinte abszolút nulla) és erősebb mágneses mezőkkel zajlott, mint a von Klitzung kísérletnél (milliószor több, mint A Föld mágneses mezője).

Nagy meglepetésükre Stormer és Tsui a Hall ellenállás háromszor nagyobb ugrását találták, mint von Klitzung. Aztán még nagyobb ugrásokat fedeztek fel. Az eredmény a fizikai állandók azonos kombinációja volt, de nem egész számmal, hanem törtszámmal osztva. A fizikusok olyan elektronként töltik meg az elektronot, amely nem osztható részekre. És ebben a kísérletben részleges frakcióval rendelkező részecskék vettek részt. A hatást frakcionált kvantum Hall effektusnak neveztük.

Egy évvel a felfedezés után a La Flin laboratóriumi alkalmazottja elméleti magyarázatot adott a hatásról. Azt állította, hogy az ultra-alacsony hőmérséklet és az erős mágneses mező kombinációja révén az elektronok összenyomhatatlan kvantumfolyadékot képeznek. A számítógépes grafikát ábrázoló ábra azonban a síkot átszúró elektronok (golyók) áramlását mutatja. A síkban a durvaság az egyik elektron töltési eloszlását jelzi mágneses mező jelenlétében és más elektronok töltését. Ha egy kvantumfolyadékhoz elektronot adunk, akkor bizonyos mennyiségű frakcionált töltéssel rendelkező kvazartikuláris részecskék képződnek (az ábrán ez az egyes elektronok nyilakkal szerepel).
1998-ban Horst Stormer, Daniel Tsui és Robert Laughlin a fizika Nobel-díját kapta. Jelenleg H. Stormer fizikai professzor a Columbia Egyetemen, D. Tsui a Princeton Egyetemen, R. Laughlin a Stanfordi Egyetemen.