Zāles efekts un uz tā balstīti sensori

Hallas efektu 1879. gadā atklāja amerikāņu zinātnieks Edvins Herberts Hols. Tās būtība ir šāda (sk. Attēlu). Ja caur vadītspējīgu plāksni tiek izvadīta strāva un magnētiskais lauks ir vērsts perpendikulāri plāksnei, tad spriegums parādās virzienā, kas šķērso strāvu (un magnētiskā lauka virziens): Uh = (RhHlsinw) / d, kur Rh ir Hallas koeficients, kas atkarīgs no diriģenta materiāla; H ir magnētiskā lauka stiprums; I ir strāva vadītājā; w ir leņķis starp strāvas virzienu un magnētiskā lauka indukcijas vektoru (ja w = 90 °, sinw = 1); d ir materiāla biezums.

Sakarā ar to, ka izejas efektu nosaka divu daudzumu (H un I) reizinājums, Hall sensori tiek ļoti plaši izmantoti. Tabulā parādīti Hallas koeficienti dažādiem metāliem un sakausējumiem. Apzīmējumi: Т - temperatūra; B ir magnētiskā plūsma; Rh - Halles koeficients m3 / C vienībās.

Halles efekta tuvuma slēdži, kuru pamatā ir Halles efekts, ārzemēs ir plaši izmantoti kopš 70. gadu sākuma. Šī slēdža priekšrocības ir augsta uzticamība un izturība, mazi izmēri, un trūkumi ir pastāvīgs enerģijas patēriņš un salīdzinoši augstās izmaksas.

Halles ģeneratora darbības principsbet

Halles sensoram ir slots dizains. Vienā spraugas pusē atrodas pusvadītājs, caur kuru strāva plūst, kad tiek ieslēgta aizdedze, un, no otras puses, pastāvīgais magnēts.

Magnētiskajā laukā kustīgos elektronus ietekmē spēks. Spēka vektors ir perpendikulārs lauka magnētisko un elektrisko komponentu virzienam.

Ja pusvadītāju vafeļu (piemēram, no indija arsenīda vai indija antimonīda) ar indukcijas palīdzību elektriskajā strāvā ievada magnētiskajā laukā, tad sānos, kas ir perpendikulāri strāvas virzienam, rodas potenciāla starpība. Halles spriegums (Hall EMF) ir proporcionāls strāvas un magnētiskajai indukcijai.

Starp plāksni un magnētu ir atstarpe. Sensora spraugā ir tērauda ekrāns. Kad spraugā nav ekrāna, uz pusvadītāja plāksni iedarbojas magnētiskais lauks, un no tā tiek noņemta potenciāla starpība. Ja spraugā ir ekrāns, tad magnētiskās spēka līnijas aizver ekrānu un nedarbojas uz plāksnes, šajā gadījumā potenciāla starpība uz plāksnes nerodas.

Integrētā shēma konvertē potenciālo starpību, kas izveidota uz plāksnes, negatīva sprieguma impulsos ar noteiktu vērtību sensora izejā. Kad ekrāns atrodas sensora spraugā, tā izvadē būs spriegums; ja sensora spraugā nav ekrāna, spriegums sensora izejā ir tuvu nullei.

Frakcionēts kvantu zāles efekts

Daudz ir rakstīts par Hallas efektu, šis efekts tiek plaši izmantots tehnoloģijās, taču zinātnieki to turpina pētīt. 1980. gadā vācu fiziķis Klauss fon Kliczuns pētīja Hallas efekta darbību ultralodzes temperatūrā. Plānajā pusvadītāju plāksnē fon Klicguns pakāpeniski mainīja magnētiskā lauka stiprumu un secināja, ka Halles pretestība nemainās vienmērīgi, bet gan lecot. Lēciena lielums nebija atkarīgs no materiāla īpašībām, bet bija fundamentālo fizisko konstantu kombinācija, dalīta ar konstantu skaitli. Izrādījās, ka kvantu mehānikas likumi kaut kā mainīja Hallas efekta raksturu. Šo fenomenu sauca par neatņemamu kvantu zāles efektu. Par šo atklājumu fon Klicungs 1985. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.

Divus gadus pēc fon Klicunga atklāšanas Bell Telephone laboratorijā (tajā, kurā tika atvērts tranzistors), Stormer un Tsui darbinieki izpētīja kvantu zāles efektu, izmantojot ārkārtīgi tīru liela gallija arsenīda paraugu, kas izgatavots tajā pašā laboratorijā.Paraugam bija tik augsta tīrības pakāpe, ka elektroni to izturēja no viena gala līdz otram, nesaskaroties ar šķēršļiem. Stormer un Tsui eksperiments notika daudz zemākā temperatūrā (gandrīz absolūtā nulle) un ar jaudīgākiem magnētiskajiem laukiem nekā von Klitzung eksperimentā (miljons reizes vairāk nekā Zemes magnētiskais lauks).

Viņiem par lielu pārsteigumu Stormers un Tsui atrada Halles pretestības lēcienu, kas ir trīs reizes lielāks nekā fon Klitzung. Tad viņi atklāja vēl lielākus lēcienus. Rezultātā tika iegūta tāda pati fizikālo konstantu kombinācija, bet to dalīja nevis vesels skaitlis, bet gan frakcionēts skaitlis. Fiziķi uzlādē elektronu kā konstanti, ko nevar sadalīt daļās. Un šajā eksperimentā it kā piedalījās daļiņas ar daļēju lādiņu. Efektu sauca par frakcionēto kvantu zāles efektu.

Gadu pēc šī atklājuma La Flin laboratorijas darbinieks sniedza teorētisku ietekmes skaidrojumu. Viņš paziņoja, ka sevišķi zemas temperatūras un spēcīga magnētiskā lauka kombinācija liek elektroniem veidot nesaspiežamu kvantu šķidrumu. Bet skaitlis, izmantojot datorgrafiku, parāda elektronu (bumbiņu) plūsmu, kas caururbj plakni. Nelīdzenumi plaknē apzīmē viena elektrona lādiņa sadalījumu magnētiskā lauka klātbūtnē un citu elektronu lādiņu. Ja kvantu šķidrumam tiek pievienots elektrons, tad veidojas noteikts daudzums kvazdaļiņu ar frakcionētu lādiņu (attēlā tas ir parādīts kā bultu komplekts katram elektronam).
1998. gadā Horsts Stormers, Daniels Tsui un Roberts Lavenlins saņēma Nobela prēmiju fizikā. Pašlaik H. Stormers ir fizikas profesors Kolumbijas universitātē, D. Tsui ir Prinstonas universitātes profesors, bet R. Laughlin ir Stenfordas universitātes profesors.