Хасапов Борис Георгійович

Ефект Холла був відкритий в 1879 р американським ученим Едвіном Гербертом Холом. Його суть полягає в наступному (див. Малюнок). Якщо через провідну пластинку пропускати струм, а перпендикулярно платівці направити магнітне поле, то в напрямку поперечному току (і напрямку магнітного поля) на платівці з'явиться напруга: Uh = (RhHlsinw) / d, де Rh - коефіцієнт Холла, що залежить від матеріалу провідника; Н - напруженість магнітного поля; I - струм в провіднику; w - кут між напрямком струму і вектором індукції магнітного поля (якщо w = 90 °, sinw = 1); d - товщина матеріалу.

Завдяки тому, що вихідний ефект визначається твором двох величин (Н і I), датчики Холла мають досить широке застосування. У таблиці наведено коефіцієнти Холла для різних металів і сплавів. Позначення: Т - температура; В - магнітний потік; Rh - коефіцієнт Холла в одиницях м3 / Кл.

Безконтактні клавішні перемикачі на основі ефекту Холла застосовувалися за кордоном досить широко вже з початку 70-х років. Переваги цього перемикача - висока надійність і довговічність, малі габарити, а недоліки - постійне споживання енергії і порівняно висока вартість.

Принцип дії генератора Холла

Датчик Холла має щілинну конструкцію. З одного боку щілини розташований напівпровідник, за яким при включеному запалюванні протікає струм, а з іншого боку - постійний магніт.

У магнітному полі на рухомі електрони впливає сила. Вектор сили перпендикулярний напрямку, як магнітної так і електричної складових поля.

Якщо внести в магнітне поле з індукцією В напівпровідникову пластинку (наприклад, з арсеніду індію або антімоніда індію), через яку протікає електричний струм, то на бічних сторонах, перпендикулярно напрямку струму, виникає різниця потенціалів. Напруга Холла (ЕРС Холла) пропорційно току і магнітної індукції.

Між пластинкою і магнітом є зазор. У зазорі датчика знаходиться сталевий екран. Коли в зазорі немає екрану, то на платівку напівпровідника діє магнітне поле і з неї знімається різниця потенціалів. Якщо ж в зазорі знаходиться екран, то магнітні силові лінії замикаються через екран і на платівку не діє, в цьому випадку різниця потенціалів на платівці не виникає.

Інтегральна мікросхема перетворює різницю потенціалів, що створюється на платівці, в негативні імпульси напруги певної величини на виході датчика. Коли екран знаходиться в зазорі датчика, то на його виході буде напруга, якщо ж в зазорі датчика екрану немає, то напруга на виході датчика близьке до нуля.

Дробний квантовий ефект Холла

Про ефект Холла написано багато, цей ефект інтенсивно використовується в техніці, але вчені продовжують його досліджувати. У 1980 р німецький фізик Клаус фон Клітцунг вивчав роботу ефекту Холла при наднизьких температурах. У тонкій пластинці напівпровідника фон Клітцунг плавно змінював напруженість магнітного поля і виявив, що опір Холла змінюється не плавно, а стрибками. Величина стрибка не залежить від властивостей матеріалу, а була комбінацією фундаментальних фізичних констант, поділеній на постійне число. Виходило, що закони квантової механіки якимось чином змінювали природу ефекту Холла. Це явище було названо інтегральним квантовим ефектом Холла. За це відкриття фон Клітцунг отримав Нобелівську премію з фізики в 1985 р

Два роки по тому після відкриття фон Клітцунга в лабораторії компанії Bell Telephone (тієї самої, в якій був відкритий транзистор) співробітники Стормер і Тсуі вивчали квантовий ефект Холла, використовуючи виключно чистий зразок арсеніду галію великого розміру, виготовлений в цій же лабораторії. Зразок мав настільки високий ступінь чистоти, що електрони проходили його з кінця в кінець, не зустрічаючи перешкод. Експеримент Стормера і Тсуі проходив при набагато нижчій температурі (майже абсолютний нуль) і з більш потужними магнітними полями, ніж в експерименті фон Клітцунга (в мільйон разів більше, ніж магнітне поле Землі).

На своє велике здивування Стормер і Тсуі виявили стрибок в опорі Холла в три рази більший, ніж у фон Клітцунга. Потім вони виявили ще більші скачки. Виходила та ж комбінація фізичних постійних, але поділена нема на ціле, а на дробове число. Заряд електрона у фізиків вважається константою, що не ділимо на частини. А в цьому експерименті як би брали участь частинки з дробовими зарядами. Ефект був названий дробовим квантовим ефектом Холла.

Рік по тому після цього відкриття співробітник лабораторії Ла-Флін дав теоретичне пояснення ефекту. Він заявив, що комбінація наднизької температури і потужного магнітного поля змушує електрони утворювати нестисливої ​​квантову рідину. Але малюнку за допомогою комп'ютерної графіки показаний потік електронів (кулі), протикаючих площину. Нерівність площині представляють розподіл заряду одного з електронів в присутності магнітного поля і заряду інших електронів. Якщо електрон додається до квантової рідини, то утвориться деяка кількість квазичастиц з дробовим зарядом (на малюнку це показано як набір стрілок у кожного електрона).

У 1998 р Хорст Стормер, Даніель Тсуі і Роберт Лафлін були удостоєні Нобелівської премії з фізики. В даний час Х.Стормер - професор фізики Колумбійського університету, Д.Тсуі - професор Прінстонського університету, Р.Лафлін - професор Стенфордського університету.