Effetto Hall quantistico frazionario. Schema, descrizione

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Effetto Hall quantistico frazionario. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Molto è stato scritto sull'effetto Hall, questo effetto è ampiamente utilizzato nella tecnologia, ma gli scienziati continuano a studiarlo. Nel 1980, il fisico tedesco Klaus von Klitzung ha studiato il funzionamento dell'effetto Hall a temperature ultrabasse. In una sottile piastra semiconduttrice, von Klitzung ha cambiato dolcemente la forza del campo magnetico e ha scoperto che la resistenza di Hall non cambia dolcemente, ma salta. L'entità del salto non dipendeva dalle proprietà del materiale, ma era una combinazione di costanti fisiche fondamentali divise per un numero costante. Si è scoperto che le leggi della meccanica quantistica in qualche modo hanno cambiato la natura dell'effetto Hall. Questo fenomeno è stato chiamato effetto Hall quantistico integrale. Per questa scoperta, von Klitzung ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1985.

Due anni dopo la scoperta di von Klitzung presso il laboratorio di Bell Telephone (lo stesso in cui è stato scoperto il transistor), Stormer e Tsui stavano studiando l'effetto Hall quantistico utilizzando un campione eccezionalmente puro di arseniuro di gallio prodotto nello stesso laboratorio. Il campione aveva un grado di purezza così elevato che gli elettroni passavano da un capo all'altro senza incontrare ostacoli. L'esperimento di Stormer e Tsui è avvenuto a una temperatura molto più bassa (quasi zero assoluto) e con campi magnetici più forti dell'esperimento di von Klitzung (un milione di volte più forte del campo magnetico terrestre).

Con loro grande sorpresa, Stormer e Tsui trovarono un balzo nella resistenza di Hall tre volte superiore a quello di von Klitzung. Poi hanno trovato salti ancora più grandi. È stata ottenuta la stessa combinazione di costanti fisiche, ma divisa non per un numero intero, ma per un numero frazionario. La carica di un elettrone è considerata dai fisici una costante, non divisibile per parti. E in questo esperimento, per così dire, hanno partecipato particelle con cariche frazionarie. L'effetto è stato chiamato effetto Hall quantistico frazionario.

Un anno dopo questa scoperta, Laughlin, un impiegato di laboratorio, ha fornito una spiegazione teorica dell'effetto. Ha affermato che la combinazione di temperatura ultra bassa e un potente campo magnetico fa sì che gli elettroni formino un fluido quantico incomprimibile. La figura mostra il flusso di elettroni (sfere) che perforano l'aereo utilizzando la computer grafica. Le irregolarità del piano rappresentano la distribuzione della carica di uno degli elettroni in presenza di un campo magnetico e la carica di altri elettroni.

Se un elettrone viene aggiunto a un liquido quantico, si forma una certa quantità di quasiparticelle con una carica frazionaria (nella figura, questo è mostrato come una serie di frecce per ciascun elettrone).

Effetto Hall quantistico frazionario

Nel 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui e Robert Laughlin hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica. Attualmente, H. Stormer è professore di fisica alla Columbia University, D. Tsui è professore alla Princeton University e R. Laughlin è professore alla Stanford University.

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