霍爾效應

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發現[編輯]

霍爾效應由埃德溫•赫伯特•霍爾(Edwin Herbert Hall)於1879年在馬里蘭州 約翰霍普金斯大學攻讀博士時發現。1879年埃德溫•赫伯特•霍爾(Edwin Herbert Hall) 實驗發現,將載電流導體置於磁場中時,會在垂直電流及磁場的方向上產生電壓,此現象稱之為「霍爾效應」﹔而所生之電壓則稱為「霍爾電壓」(Hall potential difference)。由霍爾電壓的極性,可證實導體內部的電流是由自由電子之運動所造成。

霍爾效應Hall effect)是指當固體導體有電流通過,且放置在一個磁場內,導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而產生電壓。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。

除導體外,半導體也能產生霍爾效應,而且半導體的霍爾效應要強於導體。

解釋[編輯]

在導體上外加與電流方向垂直的磁場,會使得導線中的電子受到洛倫茲力而聚集,從而在電子聚集的方向上產生一個電場,此一電場將會使後來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力,使得後來的電子能順利通過不會偏移,此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。

方便起見,假設導體為一個長方體,長度分別為Lbd ,磁場垂直於Lb平面。當電流經過Ld平面的方向,電流I=nv(Ld) ,而n電荷密度。設霍爾電壓為V_H ,導體沿霍爾電壓方向的電場為V_H/a 。設磁感應強度為B

F_e = F_m
qV_H/a = qvB
V_H/a = BI/(qnad)
V_H = BI/(nqd)

發展[編輯]

美國物理學家霍爾於1879年在實驗中發現,當電流垂直於外磁場通過導體時,在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電壓,這一現象便是霍爾效應。這個電壓也被叫做霍爾電壓。 在霍爾效應發現約100年後,德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍爾效應,這是當代凝聚態物理學令人驚異的進展之一,克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。之後,美籍華裔物理學家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美國物理學家勞克林(Robert B.Laughlin,1950-)、施特默(Horst L. St rmer,1949-)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應,這個發現使人們對量子現象的認識更進一步,他們為此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。 如今,復旦校友、史丹福教授張首晟與母校合作開展了「量子自旋霍爾效應」的研究。 「量子自旋霍爾效應」最先由張首晟教授預言,之後被實驗證實。這一成果是美國《科學》雜誌評出的2007年十大科學進展之一。如果這一效應在室溫下工作,它可能導致新的低功率的「自旋電子學」計算設備的產生。工業上應用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據霍爾效應製成的,誤差精度能達到0.1%以下,由清華大學薛其坤院士領銜,清華大學、中科院物理所和史丹福大學研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破,他們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應,這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現象,也是物理學領域基礎研究的一項重要科學發現。

相關新聞[編輯]

北京時間2013年3月15日,《科學》(Science)雜誌在線發文[1],宣布中國科學院薛其坤院士領銜的團隊在實驗上首次發現「量子反常霍爾效應」。[2]

參見[編輯]

引用和注釋[編輯]

外部連結[編輯]