Халлов ефекат и сензори засновани на њему

Халлов ефекат открио је 1879. године амерички научник Едвин Херберт Халл. Његова суштина је следећа (види слику). Ако струја пролази кроз водљиву плочу и магнетно поље се усмери окомито на плочу, тада се напон појављује у смеру који је попречан на струју (и смер магнетног поља): Ух = (РхХлсинв) / д, где је Рх коефицијент Халла, који зависи од материјала проводника; Х је јакост магнетног поља; И струја у проводнику; в је угао између смера струје и индукционог вектора магнетног поља (ако је в = 90 °, синв = 1); д је дебљина материјала.

Због чињенице да је излазни ефекат одређен производом две количине (Х и И), Халлови сензори се веома широко користе. Табела приказује Халлове коефицијенте за различите метале и легуре. Ознаке: Т - температура; Б је магнетни ток; Рх - Коефициент хала у јединицама м3 / Ц

Даљински преклопници са ефектом дворане засновани на Халл ефекту прилично су широко коришћени у иностранству од почетка 70-их. Предности овог прекидача су висока поузданост и издржљивост, мале димензије, а недостаци су константна потрошња енергије и релативно високи трошкови.

Принцип рада Халловог генератораали

Халл сензор има прорезан дизајн. Полуводник је смјештен на једној страни прореза, кроз који струја тече када је паљење укључено, а с друге стране, стални магнет.

У магнетном пољу на покретне електроне утиче сила. Вектор силе је окомит на смер магнетне и електричне компоненте поља.

Ако се полуводичка плочица (на пример, из индијум-арсенида или индијум-антимонида) уведе у магнетно поље индукцијом у електричну струју, тада постоји потенцијална разлика на странама, окомито на смер струје. Напонски напон (Халл ЕМФ) пропорционалан је струји и магнетној индукцији.

Између плоче и магнета постоји размак. У празнини сензора је челични екран. Када нема екрана у празнини, магнетно поље делује на полуводичку плочу и разлика потенцијала се уклања са њега. Ако у зазору постоји екран, тада се магнетне линије затварају кроз екран и не делују на плочу, у овом случају разлика потенцијала се не појављује на плочи.

Интегрисани круг претвара разлику потенцијала на плочи у негативне напонске импулсе одређене вредности на излазу сензора. Када је екран у празнини сензора, на његовом излазу ће бити напона; ако нема екрана у размаку сензора, напон на излазу сензора је близу нуле.

Фракцијски квантни Халлов ефекат

Много је писало о Халл-овом ефекту, овај ефекат се интензивно користи у технологији, али научници га настављају да проучавају. 1980. године немачки физичар Клаус фон Клитзунг проучавао је деловање Халл-овог ефекта на прениским температурама. У танкој полуводичкој плочи фон Клитзунг је постепено мењао јачину магнетног поља и установио да се Халлов отпор не мијења глатко, већ у скоковима. Величина скока није зависила од својстава материјала, већ је била комбинација основних физичких константи подељених са константним бројем. Показало се да су закони квантне механике некако променили природу Халловог ефекта. Ова појава је названа интегралним квантним Халл ефектом. За ово откриће, вон Клитзунг је добио Нобелову награду за физику 1985. године.

Две године након открића вон Клитзунг-а у лабораторији Белл Телепхоне-а (у којој је отворен транзистор), запосленици Стормер и Тсуи проучавали су квантни Халл ефекат користећи изузетно чист узорак великог арсејда галијума, направљен у истој лабораторији.Узорак је имао тако висок степен чистоће да су га електрони пролазили од краја до краја без наилажења на препреке. Експеримент Стормер и Тсуи одвијао се на знатно нижој температури (готово апсолутна нула) и са снажнијим магнетним пољима него у експерименту Клитзунг (милион пута више од Земљино магнетно поље).

На своје велико изненађење, Стормер и Тсуи су пронашли скок отпора Хала три пута већи од отпора Вон Клитзунг-а. Тада су открили још веће скокове. Резултат је била иста комбинација физичких константи, али подељена не целим бројем, већ фракцијским бројем. Физичари наплаћују електрон као константу која се не може поделити на делове. И у овом су експерименту учествовале честице са фракцијским набојима. Ефекат се звао фракциони квантни Халлов ефекат.

Годину дана након овог открића, запослени у лабораторији Ла Флин дао је теоријско објашњење ефекта. Изјавио је да комбинација ултра-ниске температуре и моћног магнетног поља узрокује да електрони формирају нестискиву квантну течност. Али слика помоћу компјутерске графике показује проток електрона (куглица) који пробијају авион. Грубости у равнини представљају расподелу наелектрисања једног од електрона у присуству магнетног поља и наелектрисања других електрона. Ако се у квантну течност дода електрон, формира се одређена количина квазипартикала са фракцијским набојем (на слици је то приказано као стрелица за сваки електрон).
1998. Хорст Стормер, Даниел Тсуи и Роберт Лаугхлин су добили Нобелову награду за физику. Тренутно је Х. Стормер професор физике на Цолумбиа Университи, Д. Тсуи је професор на Универзитету Принцетон, а Р. Лаугхлин је професор на Универзитету Станфорд.