Мистерије укрштених струја - Халл ефекат

Крајем прошлог века млади амерички студент физике Едвин Халл открио је откриће које је његово име уписало у уџбенике физике. Спровео је једноставан, „студентски“ експеримент - проучавао је ширење струје у танкој металној плочи постављеној између полова јаког електромагнета. Студенти свих универзитета пролазе лабораторијску праксу, где се под једноставним примерима подучава вештина експеримента. Тако је било и овог пута. Скромни студент није могао да замисли да ће његово једноставно искуство створити лавину истраживања, од којих ће нека бити обележена најчаснијом научном наградом - Нобеловом наградом.

Уређај с којим је Халл радио састојао се од два попречно постављена електрична круга - тако везују кутије са слаткишима врпцом. Ланци су се разликовали по томе што је један од њих садржавао електричну батерију и струја из ње пролазила дуж плоче, а друга, попречно, није имала извора струје и једноставно је спајала ивице плоче.

Као што се и очекивало, у случају када је електромагнет био искључен, инструменти су бележили тренутни ток само дуж плоче - у кругу са батеријом - и његово одсуство у „празном“ попречном кругу. Није ни чудо. Међутим, чим се електромагнет укључио, у попречном кругу се појавио електрични ток, као да ни из чега. Било је занимљиво, али овде није било чуда - објашњење је пронађено прилично брзо. На електроне који се крећу у уздужном ланцу утиче Лорентзова сила, добро позната из школског уџбеника, која одбија електроне у попречном смеру, што је у попречном ланцу створило малу струју - све је елементарно једноставно.

Више од пола века, напола заборављен, овај феномен остао је у задњем делу физичке науке. Убаци у архиву специјалисте из микроелектронике. Испрва се испоставило да ако грубе мерне уређаје Халлова времена заменимо модерним, онда би феномен који је он открио могао да се користи за бројање наелектрисаних честица чије кретање ствара електричну струју, што је веома важно за дизајнере транзистора ниског шума и других високо осетљивих микроелектронских уређаја који раде са веома слабим струје и магнетно поље.

Халлов ефекат је пажљиво проучен, не штедећи напоре да побољша прецизност. Треће, четврто, пето децимално место на лествици мерних инструмената ... И овде су се почеле појављивати невероватне, на први поглед, једноставно невероватне појаве.

Први невероватни резултат добијен је пре двадесет година, крајем седамдесетих, у експериментима са полуводичким круговима у јаком магнетном пољу при врло ниским температурама, само неколико степени од „апсолутне нуле“ - 273 степена Целзијуса, када се супстанца смрзне толико да престати, сви молекуларни покрети се смрзавају. Дакле, ако се при обичним температурама близу собне температуре, електрични отпор у кругу са "Халл струјом" постепено повећава са повећањем магнетног поља, онда се из неког разлога близу нулте температуре мења степенасто - као да се глатка стаза дуж које се крећу честице струје, изненада замењен поплочаним асфалтом са дубоким избочинама. Глатке криве које су записали диктафони повремено се замењују „мердевинама“, чија је висина степеница била једнака некој константи дељеној са целим бројевима н = 1, 2, 3, и тако даље.

И што је још изненађујуће - у свакој фази отпор у уздужном струјном кругу опада на нулу, односно, за уздужну струју супстанца постаје суперпроводник - електрони се котрљају без икаквог отпора, али на спојевима, када се крећу из једне фазе у другу, отпор нагло скаче и суперпроводљивост одмах нестаје.Све је то изгледало као некаква конфузија - како кажу, све је било помешано у Облонској кући!

Како објаснити тако чудно понашање укрштених струја? Зашто се понашају на потпуно различите начине? Електродинамика се показала немоћном испред ове загонетке ... Навикли смо на чињеницу да се мистериозни феномени дешавају у сложеним експериментима са елементарним честицама или дубоко у свемиру када је реч о црним рупама, експлозијама галаксија и другим предметима који задивљено нашу машту, а овде су само експерименти са отпором и струјом. Дуж и преко уређеног подручја и - на вас!

В. Барашенков, Е. Капустсик