En 1879, mientras estudiaba el mecanismo conductor de los metales, el físico estadounidense Hall descubrió que las partículas cargadas (como los electrones) serían desviadas por la fuerza de Lorentz al moverse en un campo magnético. También es posible desviar la corriente en el dispositivo. Cuando una corriente pasa a través de un semiconductor perpendicular al campo magnético externo, los portadores se desvían, acumulando cargas en ambos extremos del conductor para generar un campo eléctrico dentro del conductor, cuya dirección es perpendicular a la dirección de la corriente y magnética. campo. Cuando la fuerza del campo eléctrico y la fuerza de Lorentz están equilibradas, los portadores ya no se desvían. En este momento, se formará una diferencia de potencial entre los dos extremos del semiconductor.
La fuerza que ejerce la carga en movimiento en el campo magnético se llama fuerza de Lorentz, que es la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la carga en movimiento. Todos hemos aprendido la regla de la mano izquierda en la escuela secundaria. Aplana la palma izquierda y deja que las líneas del campo magnético pasen a través de la palma. Los cuatro dedos representan la dirección del movimiento de la carga positiva. Loren. La dirección de la fuerza. Sin embargo, cabe señalar que la carga en movimiento es positiva y la dirección del pulgar es la dirección de la fuerza de Lorentz. Por el contrario, si la carga en movimiento es negativa y los cuatro dedos todavía se usan para indicar la dirección del movimiento de la carga, entonces la dirección opuesta a la que apunta el pulgar es la dirección de la fuerza de Lorentz.
Los portadores se refieren a partículas materiales cargadas que pueden moverse libremente, como electrones e iones. El descubrimiento de Hall se denominó más tarde "efecto Hall", y esta diferencia de potencial también se denominó diferencia de potencial de Hall.
En pocas palabras, el efecto Hall define la relación entre los campos magnéticos y los voltajes inducidos. Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor ubicado en un campo magnético, el campo magnético ejercerá una fuerza transversal sobre los electrones del conductor, produciendo así una diferencia de voltaje en ambos extremos del conductor.
Aunque este efecto se conoce desde hace muchos años. Se conocía y se entendía, pero los sensores basados en el efecto Hall no eran prácticos hasta que se lograron avances significativos en la tecnología de materiales, hasta la llegada de imanes constantes de alta resistencia y circuitos de acondicionamiento de señales que operaban con salidas de voltaje pequeño. . Dependiendo del diseño y la configuración, los sensores de efecto Hall se pueden utilizar como sensores de encendido/apagado o sensores lineales y se utilizan ampliamente en sistemas de energía.
Diagrama esquemático del efecto Hall, autor Peo
Varios elementos Hall desarrollados según el efecto Hall se utilizan ampliamente en magnetismo de precisión, control automatizado, comunicaciones, informática, aeroespacial y otros sectores industriales. y campos de defensa.
Según la teoría clásica del efecto Hall, la resistencia Hall RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) debería cambiar continuamente con B y con n (concentración de portador). Sin embargo, En 1980, el famoso físico von Krizin descubrió un nuevo efecto Hall cuántico a partir de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET). Añadió dos electrodos al tubo MOSFET de silicio y luego colocó el tubo MOSFET de silicio bajo un campo magnético fuerte y una temperatura extremadamente baja. Descubrió que aparecían una serie de plataformas en la curva de la resistencia Hall que cambiaba con el voltaje de la puerta. resistencia correspondiente a estas plataformas Resistencia Rh=h/(ne2), donde n es un entero positivo 1, 2, 3?. En otras palabras, estas plataformas están dadas con precisión y no cambian con los cambios en los materiales y las dimensiones del dispositivo. Simplemente están determinados por las constantes físicas básicas h (constante de Planck) y e (carga electrónica).
Esto se llama efecto Hall cuántico entero, y más tarde los científicos también descubrieron el efecto Hall cuántico fraccionario.
En aquella época, los físicos creían que, a excepción de partículas como los quarks, la carga que llevaban las partículas básicas del universo era la carga que llevaba un electrón -e (e=1,6?10-19 culombios) un múltiplo entero de. Los quarks pueden tener una carga de ?1e/3 o ?2e/3 según su tipo. En circunstancias normales, los quarks sólo pueden existir en los núcleos atómicos, a diferencia de los electrones, pueden fluir libremente. Por lo tanto, los físicos no esperan ver partículas o estados excitados con cargas electrónicas fraccionarias como los quarks en sistemas condensados ordinarios.
Pero en 1982, los científicos chinos Cui Qi y Stemer descubrieron una plataforma de resistencia Hall fraccionada en un sistema electrónico bidimensional. Al principio se descubrieron dos plataformas: ? y ?. Después de eso, crearon una muestra más pura, una temperatura más baja y un campo magnético más fuerte de 85 mK y 280 kG. Esta es la primera vez que los humanos logran una temperatura tan baja y un campo magnético tan fuerte en el laboratorio (el campo geomagnético es de magnitud mG). ). Estas técnicas experimentales son impresionantes y han observado estructuras más ricas: También han observado estructuras más ricas.
Su descubrimiento se conoció como el efecto Hall cuántico fraccionario.
Von Krizin ganó el Premio Nobel de Física en 1985, mientras que Cui Qi y Stromer ganaron el Premio Nobel en 1998. En 2005, los científicos británicos Andre Geim y Konstantin Novoselov. Los dos descubrieron el efecto Hall cuántico medio entero en el grafeno en 2005 y ganaron el Premio Nobel de Física en 2010.
En pocas palabras, el efecto Hall cuántico generalmente ocurre en condiciones extremas, como temperaturas ultrabajas y campos magnéticos fuertes. En condiciones extremas, la desviación de los electrones ya no es la misma que en el efecto Hall normal, sino que se vuelve más intensa y el radio de desviación se vuelve muy pequeño, como si estuvieran girando alrededor de un determinado punto dentro del conductor. En otras palabras, algunos electrones en el medio del conductor están "bloqueados" y si desea conducir corriente, solo puede ir hasta el borde del conductor.
La mayor diferencia entre el efecto Hall cuántico y el efecto Hall es que la respuesta del voltaje transversal al campo magnético es significativamente diferente. La resistencia transversal está cuantificada:
18 de diciembre. de 2018 La revista británica "Nature" publicó los últimos resultados de la investigación del "Efecto Hall cuántico basado en orbitales Weyl en arseniuro de cadmio" realizado por el grupo de investigación de Xiu Faxian en el Departamento de Física de la Universidad de Fudan. Esta es también la primera vez que los científicos chinos lo han hecho. Hall cuántico descubierto en el espacio tridimensional.
Más tarde, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y su equipo colaborativo publicaron un artículo en Nature afirmando que verificaron experimentalmente el efecto Hall cuántico tridimensional y descubrieron la conversión metal-aislante. Descubrieron que las personas pueden lograr la conversión de metal-aislante controlando la temperatura y aplicando un campo magnético externo. Este principio se puede utilizar para fabricar componentes electrónicos como interruptores magnéticos cuánticos. La movilidad de los electrones en materiales tridimensionales de efecto Hall cuántico es muy rápida y los electrones pueden transmitir y responder rápidamente. Tienen perspectivas de aplicación en detección de infrarrojos, dispositivos de espín de electrones, etc. En tercer lugar, el efecto Hall cuántico tridimensional también se puede aplicar a sistemas de transporte de portadores especiales debido a sus propiedades conductoras cuantificadas.
En este momento hablaremos del efecto Hall anómalo cuántico, porque la realización de la cuantificación del efecto Hall tiene dos requisitos previos extremadamente exigentes: en primer lugar, se requiere un fuerte campo magnético de cientos de miles de Gauss. ; la intensidad del campo magnético de la Tierra es de sólo 0,5 Gauss; requiere una temperatura cercana al cero absoluto.
En este contexto, los científicos han propuesto otra idea: el fenómeno Hall en el estado normal será anormal. Entonces, ¿puede el fenómeno Hall cuantificado ser también anormal? Si es así, ¿no resolvería el requisito previo para aplicar un campo magnético elevado?
Es decir, el efecto Hall anómalo cuántico no depende de un fuerte campo magnético sino que se genera por la magnetización espontánea del propio material. Los estados Quantum Hall se pueden realizar en un campo magnético cero, lo que facilita su aplicación a dispositivos electrónicos que la gente necesita todos los días. Desde 1988, los físicos teóricos han propuesto continuamente diversas soluciones, pero no se ha logrado ningún progreso experimental.
Podemos usar una metáfora simple para ilustrar la relación entre el efecto Hall cuántico y el efecto Hall cuántico anómalo. Cuando usamos una computadora, nos encontraremos con preguntas sobre calentamiento, pérdida de energía y desaceleración, etc. . Esto se debe a que, en condiciones normales, los electrones del chip no se mueven en una órbita específica y chocan entre sí, lo que provoca una pérdida de energía. El efecto Hall cuántico puede formular una regla para el movimiento de los electrones, permitiéndoles avanzar inexorablemente en sus respectivas pistas.
Sin embargo, la generación del efecto Hall cuántico requiere un campo magnético muy fuerte, lo que equivale a añadir 10 imanes del tamaño de un ordenador. Esto no sólo es voluminoso, sino también caro y no apto para ordenadores personales. computadoras portátiles. ?La belleza del efecto Hall cuántico anómalo es que no requiere ningún campo magnético externo. El estado Hall cuántico se puede realizar en un campo magnético cero, lo que facilita su aplicación a los dispositivos electrónicos que la gente necesita todos los días.
En 2006, el grupo teórico dirigido por el profesor Zhang Shousheng de la Universidad de Stanford predijo con éxito el efecto Hall del espín cuántico en aisladores topológicos bidimensionales, y en 2008 señaló que en aisladores topológicos dopados magnéticamente se podían encontrar nuevas direcciones para realizar El efecto Hall anómalo cuántico. En 2010, los físicos teóricos chinos Fang Zhong, Dai Xi y otros colaboraron con el profesor Zhang Shousheng y propusieron que los aisladores topológicos tridimensionales dopados magnéticamente pueden ser el mejor sistema para realizar el efecto Hall anómalo cuantificado. Este programa ha atraído una amplia atención por parte de la comunidad académica internacional. Hay muchos grupos de investigación de talla mundial en Alemania, Estados Unidos, Japón, etc. que siguen esta idea de buscar experimentalmente el efecto Hall anómalo cuántico, pero no han logrado ningún gran avance. Por lo tanto, el fenómeno cuántico anómalo de Hall también se considera la joya de la corona de la investigación en física.
La realización del efecto Hall anómalo cuántico es muy difícil y requiere un diseño, preparación y control precisos del material. Aunque científicos de varios países han propuesto varias formas diferentes de lograrlo a lo largo de los años, los materiales y estructuras necesarios son muy difíciles de preparar, por lo que el progreso experimental ha sido lento.
En 2009, Xue Qikun y su equipo también comenzaron a abordar el efecto Hall anómalo cuántico. Xue Qikun no es considerado un genio a los ojos de muchas personas.
En 1963, Xue Qikun nació en un pequeño pueblo en la montaña Yimeng, provincia de Shandong. Había muchos hermanos y hermanas en la familia. Cuando estaba en la escuela primaria y secundaria, las condiciones rurales todavía eran relativamente atrasadas y los adultos trabajaban duro para ganarse la vida. Xue Qikun no soñaba con convertirse en físico, simplemente leía libros donde podía. Más tarde, cuando llegó la noticia de que el país reanudaría el examen de ingreso a la universidad, Xue Qikun sintió que esta oportunidad no podía desperdiciarse, por lo que comenzó a prepararse cuidadosamente para el examen de ingreso a la universidad.
En 1980, Xue Qikun, de 17 años, fue admitido en el Departamento de Óptica de la Universidad de Shandong. La razón por la que eligió el Departamento de Óptica fue porque su maestro le recomendó esta especialización. Xue Qikun, quien se graduó en 1984, comenzó a tomar exámenes de ingreso de posgrado mientras trabajaba. Como resultado, tomó tres exámenes de ingreso antes de ser admitido en el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China. Después de graduarse con una maestría en 1990, le tomó otros siete años obtener un diploma de doctorado.
Xue Qikun tiene el apodo de "Académico 7-11". Quien lo conoce bien sabe que Xue Qikun ha persistido en esta rutina durante 20 años, entrando al laboratorio a las 7 de la mañana y trabajando hasta salir a las 11 de la noche. Xue Qikun pensó que como no era un "genio", debería ser simplemente un "tonto". No es fácil ser un "tonto".
Después de casi cinco años de investigación desde 2009, el equipo de Xue Qikun ha realizado esfuerzos inimaginables desde el éxito inicial del crecimiento de materiales aislantes topológicos hasta la superación de muchas dificultades en los experimentos posteriores. Pero el éxito final del experimento depende de datos experimentales icónicos: en un campo magnético cero, ¿puede la resistencia Hall del material aislante topológico magnético saltar al valor de resistencia cuántica de 25813 ohmios?
Cultivaron y midieron más de 1.000 muestras. Finalmente, utilizaron el método de epitaxia de haz molecular para desarrollar una película magnética aislante topológica de 2Te3 dopada con Cr (Bi, Sb) de alta calidad y observaron con éxito el efecto Hall anómalo cuántico en un dispositivo de medición de transporte a temperatura extremadamente baja. Esta es la primera vez que se descubre experimentalmente el efecto Hall anómalo cuántico.
En 2010, el equipo de investigación completó las mediciones de crecimiento y transporte de películas con espesores de 1 a 6 nanómetros (una diezmilésima parte del espesor de un cabello humano) y obtuvo resultados sistemáticos, alcanzando así casi dos -Se hace posible la medición del crecimiento dimensional de películas ultrafinas.
En 2011, el equipo de investigación logró un control preciso de la estructura de bandas de energía de los aisladores topológicos, convirtiendo el material a granel en un verdadero aislante y eliminando su impacto en las propiedades de transporte.
A principios de 2012, el equipo de investigación logró ferromagnetismo espontáneo de largo alcance en un aislante topológico casi bidimensional con aislamiento masivo y utilizó un voltaje de puerta externo para controlar con precisión su estructura electrónica in situ.
En octubre de 2012, el equipo de investigación finalmente descubrió que dentro de un cierto rango de voltaje de puerta aplicado, la resistencia Hall anómala de este material en un campo magnético cero alcanzaba el valor característico del efecto Hall cuántico h/e2? ¿25800 ohmios? Los problemas del mundo se pueden superar.
El equipo de investigación superó muchas dificultades, como el crecimiento de la película, el dopaje magnético, el control del voltaje de la puerta y la medición del transporte a baja temperatura, y paso a paso descubrió la estructura electrónica, el orden ferromagnético de largo alcance y la banda de energía. topología de aisladores topológicos El control preciso finalmente trajo una conclusión perfecta a la realización de este fenómeno físico.
Después de casi cinco años de ardua investigación colaborativa, el equipo de Xue Qikun superó muchas dificultades, como el crecimiento de la película, el dopaje magnético, el control del voltaje de la puerta y la medición del transporte a baja temperatura, y gradualmente se dio cuenta de la estructura electrónica y la larga duración. control de rango de aisladores topológicos El control preciso del orden ferromagnético y la topología de bandas de energía finalmente trajo una conclusión perfecta a la realización de este fenómeno físico.
Un crítico de la revista "Science" dijo: "Este trabajo confirma más allá de cualquier duda la existencia de estados de borde de un solo canal que se originan de manera diferente al efecto Hall cuántico ordinario". Creo que este es un logro muy importante en la física de la materia condensada. ?Otro crítico dijo:?Este artículo pone fin a muchos años de exploración del efecto Hall cuántico sin niveles de Landau. Este es un artículo histórico. ?