浅谈从霍尔效应到量子反常霍尔效应

本溪市机电工程学校 王 东

浅谈从霍尔效应到量子反常霍尔效应

本溪市机电工程学校 王 东

本文通过介绍霍尔效应的基本原理和发展历程，对霍尔效应未来应用趋势做出预测，使读者更好的了解霍尔效应家族各个成员和未来应用的展望。

电子技术；霍尔效应；物理现象；量子反常霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔(Edwim Herbert Hall)于1879年在研究金属的导电机制时的指导下发现的。在当今电子技术、测量技术、自动控制技术等许多科技领域，霍尔效应都有着广泛的应用。近年来借助于新型半导体材料、低维物理学等学科的发展，关于霍尔效应的研究，科学家们有了许多突破性的发现。

一、霍尔效应的基本原理

1879年，霍尔（E.H.Hall）在做实验验证磁场对导线中的电流是否有影响时，却意外发现了一种特殊的现象：载流导板置于磁场中，当电流方向与磁场方向垂直时，导板两侧间出现了横向电势差U。这个现象可以通过运动电荷在磁场中受到洛伦兹力进行解释：如果在一个通电导体中，施加一个与电流方向相垂直的磁场，在洛伦兹力的作用下，电子运动的轨迹会发生偏转，与磁场和电流方向垂直的导体两端产生电压，这个现象就是著名的霍尔效应。通过大量实验得出，霍尔电压U与导体电流I、磁场磁感应强度B成正比，与导板厚度d成反比。导板两端间形成的电势差U称为霍尔电压。公式为：

这个效应的发现震动了当时的科学界，很多国家的科研人员开始转向研究这一领域。

二、霍尔效应的发展

1.整数量子霍尔效应

1980年，德国科学家冯·克利青（VonKlitzing）首先发现了整数量子霍尔效应，在极低温度1.5K和强磁场18.9T条件下，测量金属——氧化物——半导体场效应晶体管时，发现随磁场的变化，霍尔电阻RH出现了一系列量子化数值，即：

式中， h为普朗克常数，N为正整数，e为电子电量。

这种现象被称为整数量子霍尔效应，这与经典霍尔效应理论中“霍尔电阻随B 连续变化并随着载流子浓度n的增大而减小”相矛盾，该发现获得1985年诺贝尔物理奖。

2.分数量子霍尔效应

1982年，美国科学家崔琦（Daniel C. Tsui）、和史特莫（Horst L. Stormer）等人发现了分数量子霍尔效应，在0.1K的超低温度和20T的强磁场条件下，测量具有高迁移率的二维电子气系统样品，也发现了在一定范围内横向霍尔电阻呈现平台现象，出乎意料的是，这些平台对应的是分数值，而不是原有量子霍尔效应理论的整数值，即：

美国科学家劳夫林（Robert B. Laughlin）运用波函数对分数量子霍尔效应进行理论解释，三人共同荣获1998年诺贝尔物理奖。

3.半整数量子霍尔效应

2005年，英国科学家安德烈·海姆（AndreGeim）和俄罗斯科学家康斯坦丁·诺沃舍洛夫（Konstantin Novoselov）在实验中分离出石墨烯，成功在常温下观察到量子霍尔效应。石墨烯厚度只有0.335纳米，是一种“超薄的碳膜”，是迄今为止发现的厚度最薄和强度最高的材料。他们获得了2010年的诺贝尔物理奖，这是最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖。

4. 量子化自旋霍尔效应

2007年，美国斯坦福大学的研究小组宣布发现了一种物质新状态，其具有“十分特别的”半导体性能,表现为能量损耗更低和发热量更少，通过碲络化合物和碲汞化合物的叠层扭曲，获得一种类似于砷化镓和硅的新型晶格结构，并通过控制势阱的厚度导致相变，从而生成一种物质新状态,这种状态不需要掺杂任何物质就可以传导电子，这种状态下电流只流动在物体边缘。该状态下电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。量子自旋霍尔效应找到了电子自转方向与电流方向之间的规律，该成果获得2010年欧洲物理奖和2012年的美国物理学会巴克利奖。

5.量子反常霍尔效应

2012年10月12日，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的研究团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，首次观测到量子反常霍尔效应（即零磁场中的量子霍尔效应），该现象是世界物理学基础研究领域的一项重要发现，也是我国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象。这项成果于2013年3月15日凌晨在美国《科学》杂志在线发表，被该杂志评审评价为：“结束了多年对量子反常霍尔效应的探寻，是一项里程碑式的工作。”量子反常霍尔效应是霍尔效应研究领域的又一重大进展，同时也很有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。此项研究成果将会加速电子信息技术领域发展的进程，推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展。诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授评价其为“诺贝尔奖级的发现”。

三、霍尔效应的未来展望

在人们日常生活中，许多常用电子器件都源于霍尔效应，例如汽车上就包括ABS系统中的速度传感器、发动机转速及曲轴角度传感器、液体物理量检测器、信号传感器等霍尔器件。

中国科学家在实验中实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展出新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决摩尔定律的瓶颈问题和电脑元件发热问题。科学家有可能实现在无需强磁场的条件下，电子按照固定轨迹运动，减少无规则碰撞导致的能量损耗和发热。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成IPAD那么大，未来的电脑也可能不再需要散热器。

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