1879년 미국의 물리학자 홀은 금속의 전도 메커니즘을 연구하던 중, 전자와 같은 하전 입자가 자기장 내에서 이동할 때 로렌츠 힘에 의해 편향된다는 사실을 발견했습니다. 장치의 전류가 편향되는 것도 가능합니다. 외부 자기장에 수직인 반도체에 전류가 흐르면 캐리어가 편향되면서 도체의 양쪽 끝에 전하가 축적되어 도체 내부에 전류 방향과 자기장의 방향이 수직인 전기장이 생성됩니다. 필드. 전기장력과 로렌츠 힘이 균형을 이루면 캐리어가 더 이상 편향되지 않습니다. 이때 반도체의 양끝 사이에 전위차가 형성됩니다.
자기장 내에서 움직이는 전하가 가하는 힘을 로렌츠 힘이라고 하는데, 이는 자기장이 움직이는 전하에게 가하는 힘입니다. 우리는 모두 중학교에서 왼손의 법칙을 배웠습니다. 왼쪽 손바닥을 펴고 자기장 선이 손바닥을 통과하도록 합니다. 네 손가락은 양전하 이동 방향을 나타냅니다. 네 손가락에 수직인 엄지손가락의 방향은 로렌입니다. .힘의 방향. 그러나 이동 전하는 양의 전하이며 엄지손가락의 방향이 로렌츠 힘의 방향이라는 점에 유의해야 합니다. 반대로 이동하는 전하가 음수이고 네 손가락을 사용하여 전하 이동 방향을 나타내는 경우 엄지손가락이 가리키는 반대 방향이 로렌츠 힘의 방향이 됩니다.
운반체란 전자나 이온 등 자유롭게 이동할 수 있는 전하를 띠는 물질 입자를 말한다. 홀의 발견은 나중에 "홀 효과"라고 불렸고, 이 전위차는 홀 전위차라고도 불렸습니다.
간단히 말해서 홀 효과는 자기장과 유도 전압 사이의 관계를 정의합니다. 자기장이 있는 도체에 전류가 흐르면 자기장이 도체의 전자에 횡력을 가해 도체의 양쪽 끝에서 전압차가 발생합니다.
이러한 효과는 수년 동안 알려지고 이해되었지만 홀 효과를 기반으로 한 센서는 재료 기술이 크게 발전하고 고강도 영구 자석과 작은 전압 출력에서 작동하는 신호 조정 회로가 출현할 때까지 실용적이지 않았습니다. . 홀 효과 센서는 설계 및 구성에 따라 온/오프 센서 또는 선형 센서로 사용될 수 있으며 전력 시스템에 널리 사용됩니다.
홀 효과의 개략도, 저자 Peo
홀 효과에 따라 개발된 다양한 홀 요소는 정밀 자기, 자동화 제어, 통신, 컴퓨터, 항공 우주 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 분야 및 국방 분야.
고전적인 홀 효과 이론에 따르면 홀 저항 RH(RH=U/I=K. B/d= B/nqd)는 B와 n(캐리어 농도)에 따라 연속적으로 변화해야 합니다. 그러나 1980년에 유명한 물리학자인 von Krizin은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)에서 새로운 양자 홀 효과를 발견했습니다. 그는 실리콘 MOSFET 튜브에 두 개의 전극을 추가한 다음 실리콘 MOSFET 튜브를 강한 자기장과 극도로 낮은 온도에 두었습니다. 그는 홀 저항이 게이트 전압에 따라 변하는 곡선에 나타나는 것을 발견했습니다. 이러한 플랫폼에 해당하는 저항 저항기 Rh=h/(ne2), 여기서 n은 양의 정수 1, 2, 3입니다. 즉, 이러한 플랫폼은 정확하게 주어지며 재료 및 장치 크기의 변화에 따라 변경되지 않습니다. 이는 단순히 기본 물리 상수 h(플랑크 상수)와 e(전자 전하)에 의해 결정됩니다.
이를 정수 양자 홀 효과라고 하는데, 후대의 과학자들도 분수 양자 홀 효과를 발견했습니다.
당시 물리학자들은 쿼크와 같은 입자를 제외하고 우주의 기본 입자가 운반하는 전하는 전자가 운반하는 전하 -e(e=1.6?10-19 쿨롱)라고 믿었습니다. 정수배. 쿼크는 종류에 따라 ?1e/3 또는 ?2e/3의 전하를 가질 수 있습니다. 정상적인 상황에서 쿼크는 전자와 달리 원자핵에만 존재할 수 있습니다. 그러므로 물리학자들은 일반적인 응축계에서 쿼크와 같이 전자 전하가 작은 입자나 들뜬 상태를 볼 수 있을 것으로 기대하지 않습니다.
그러나 1982년 중국 과학자 Cui Qi와 Stemer는 2차원 전자 시스템에서 분수 홀 저항 플랫폼을 발견했습니다. 처음에는 ?와 ?라는 두 가지 플랫폼이 발견되었습니다. 그 후 그들은 더 순수한 샘플, 더 낮은 온도, 85mK 및 280kG의 더 강한 자기장을 만들었습니다. 이는 인간이 실험실에서 이렇게 낮은 온도와 강력한 자기장을 달성한 최초의 사례입니다(지자기장은 mG 크기입니다). ) 이러한 실험 기술은 놀랍고 더 풍부한 구조를 관찰했습니다. 또한 더 풍부한 구조도 관찰했습니다. 그들의 발견은 분수 양자 홀 효과로 알려지게 되었습니다.
폰 크리진(Von Krizin)은 1985년 노벨 물리학상을 수상했고, 추이 치(Cui Qi)와 스트로머(Stromer)는 1998년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 2005년 영국의 과학자 Andre Geim과 Konstantin Novoselov가 발표했습니다. 두 사람은 2005년 그래핀에서 반정수 양자 홀 효과를 발견해 2010년 노벨 물리학상을 수상했다.
간단히 말하면 양자 홀 효과는 일반적으로 초저온, 강한 자기장 등 극한 조건에서 발생한다. 극단적인 조건에서 전자의 편향은 더 이상 일반 홀 효과와 동일하지 않지만 마치 도체 내부의 특정 지점을 중심으로 회전하는 것처럼 더욱 강해지고 편향 반경이 매우 작아집니다. 즉, 도체 중앙의 일부 전자가 "잠겨져" 있으므로 전류를 전도하려면 도체 가장자리로만 갈 수 있습니다.
양자 홀 효과와 홀 효과의 가장 큰 차이점은 자기장에 대한 횡방향 전압의 반응이 크게 다르다는 점입니다. 횡저항이 양자화됩니다.
12월 18일 , 2018년 영국 '네이처(Nature)' 잡지는 푸단대학교 물리학과 슈파셴(Xiu Faxian) 연구그룹의 '카드뮴 비소의 웨일 궤도에 기초한 양자 홀 효과(Quantum Hall Effect Based on Weyl Orbitals in Cadmium Arsenide)' 최신 연구 결과를 발표했습니다. 3차원 공간에서 양자 홀을 발견했습니다.
이후 중국 과학기술대학 연구팀은 3차원 양자홀 효과를 실험적으로 검증하고 금속-절연체 변환을 발견했다는 내용의 논문을 네이처에 게재했다. 그들은 사람들이 온도를 조절하고 외부 자기장을 가함으로써 금속-절연체 변형을 이룰 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 원리는 양자 자기 스위치와 같은 전자 부품을 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 3차원 양자 홀 효과 물질의 전자 이동성은 매우 빠르며 전자는 빠르게 전송하고 반응할 수 있으며 적외선 감지, 전자 스핀 장치 등에 응용할 수 있습니다. 셋째, 3차원 양자 홀 효과는 양자화된 전도성 특성으로 인해 특수 캐리어 전송 시스템에도 적용될 수 있습니다.
이번에는 양자 변칙 홀 효과에 대해 이야기하겠습니다. 홀 효과의 양자화 실현에는 두 가지 매우 까다로운 전제 조건이 있기 때문입니다. 첫째, 수십만 가우스의 강력한 자기장이 필요합니다. ; 지구 자기장의 강도는 0.5 가우스에 불과하며 절대 영도에 가까운 온도가 필요합니다.
이런 맥락에서 과학자들은 일반적인 상태의 홀 현상이 비정상일 것이라는 또 다른 생각을 내놓았습니다. 그렇다면 양자화된 홀 현상도 비정상일 수 있을까요? 그렇다면 높은 자기장을 적용하기 위한 전제조건은 해결되지 않을까?
즉, 양자이상 홀 효과는 강한 자기장에 의존하지 않고 물질 자체의 자발적인 자화에 의해 발생한다. 양자 홀 상태는 제로 자기장에서 구현될 수 있어 사람들이 매일 필요로 하는 전자 장치에 이를 더 쉽게 적용할 수 있습니다. 1988년 이후 이론물리학자들은 계속해서 다양한 해법을 제시했지만 실험적 진전은 이루어지지 않았다.
양자 홀 효과와 양자 변칙 홀 효과의 관계를 간단한 비유로 설명할 수 있습니다. 컴퓨터를 사용하다 보면 컴퓨터 발열, 에너지 손실, 속도 저하 등의 질문에 직면하게 됩니다. . 정상적인 조건에서는 칩 안의 전자가 특정 궤도를 따라 움직이지 않고 서로 충돌해 에너지 손실이 발생하기 때문이다. 양자 홀 효과는 전자의 이동에 대한 규칙을 공식화하여 전자가 각각의 활주로에서 가차 없이 전진할 수 있게 해줍니다.
그러나 양자 홀 효과를 생성하려면 컴퓨터 크기의 자석 10개를 추가하는 것과 맞먹는 매우 강한 자기장이 필요하다. 이는 부피가 클 뿐만 아니라 비용이 많이 들고 개인용 컴퓨터나 컴퓨터에는 적합하지 않다. 휴대용 컴퓨터. 양자이상홀효과의 장점은 외부 자기장이 전혀 필요하지 않다는 점이다.
2006년 스탠포드대 장수성 교수가 이끄는 이론그룹은 2차원 위상 절연체에서 양자 스핀 홀 효과를 예측하는데 성공했고, 2008년에는 자기 도핑된 위상 절연체에서 양자 스핀 홀 효과를 실현하는 새로운 방향을 제시했다. 양자 변칙 홀 효과. 2010년 중국 이론물리학자 Fang Zhong, Dai Xi 등은 Zhang Shousheng 교수와 협력하여 자기적으로 도핑된 3차원 토폴로지 절연체가 양자화된 변칙 홀 효과를 실현하는 최고의 시스템일 수 있다고 제안했습니다. 이 프로그램은 국제 학계의 큰 관심을 끌었습니다. 독일, 미국, 일본 등 세계적 수준의 연구 그룹이 이 아이디어를 따라 양자 변칙 홀 효과를 실험적으로 탐색하고 있지만 돌파구를 찾지 못했습니다. 따라서 양자변칙 홀 현상은 물리학 연구의 보석이라고도 불린다.
양자 변칙 홀 효과의 구현은 매우 어렵고 정밀한 재료 설계, 준비 및 제어가 필요합니다. 여러 나라의 과학자들이 이를 달성하기 위해 수년에 걸쳐 여러 가지 방법을 제안했지만 필요한 재료와 구조를 준비하는 것이 매우 어려워 실험 진행이 느렸습니다.
2009년에 Xue Qikun과 그의 팀은 양자 변칙 홀 효과를 다루기 시작했습니다. Xue Qikun은 많은 사람들의 눈에 천재로 간주되지 않습니다.
설치쿤은 1963년 산둥성 이몽산의 작은 마을에서 태어났다. 가족 중에는 형제자매가 많았다. 제가 초등학교와 중학교를 다닐 때, 농촌은 아직 상대적으로 낙후되어 있었고, 어른들은 생계를 위해 열심히 일하고 있었습니다. 쉬치쿤(Xue Qikun)은 물리학자가 되는 것이 꿈이 아니었습니다. 그는 단지 가능한 한 책을 읽었을 뿐입니다. 나중에 국가가 대학 입시를 재개한다는 소식이 전해지자, 설치쿤은 이 기회를 낭비할 수 없다고 생각하여 대학 입시를 열심히 준비하기 시작했습니다.
17세의 설치쿤은 1980년 산동대학교 광학과에 입학했다. 그가 광학과를 선택한 이유는 선생님이 이 전공을 추천했기 때문이다. 1984년 졸업한 설치쿤은 일을 하면서 대학원 입학시험을 보기 시작했고, 그 결과 중국과학원 물리학연구소에 입학하기까지 세 번의 입학시험을 치렀다. 1990년 석사학위를 취득한 뒤 박사학위를 받기까지 7년이 더 걸렸다.
설치쿤은 '7-11 학자'라는 별명을 갖고 있다. 그를 잘 아는 사람이라면 Xue Qikun이 오전 7시에 실험실에 들어가서 오후 11시에 퇴근할 때까지 이 일과를 20년 동안 유지했다는 것을 알고 있습니다. Xue Qikun은 자신이 '천재'가 아니기 때문에 '멍청한 사람'이어야 한다고 생각했습니다. "바보"가 되는 것은 쉽지 않습니다.
2009년부터 약 5년간의 연구 끝에 Xue Qikun 팀은 위상학적 절연체 재료 성장의 초기 성공부터 후기 단계의 실험에서 많은 어려움을 극복하기까지 상상할 수 없는 노력을 기울였습니다. 그러나 실험의 궁극적인 성공은 상징적인 실험 데이터가 자기 토폴로지 절연체 재료의 홀 저항을 제로 자기장에서 25813ohm의 양자 저항 값으로 점프시킬 수 있는지 여부에 달려 있습니다.
1,000개가 넘는 샘플을 키워서 측정했습니다. 마지막으로 분자선 에피택시 방법을 사용해 고품질 Cr 도핑(Bi, Sb) 2Te3 토폴로지 절연체 자성막을 성장시키고, 극저온 전송 측정 장치에서 양자 변칙 홀 효과를 성공적으로 관찰했습니다. 양자 변칙 홀 효과가 실험적으로 발견된 것은 이번이 처음이다.
2010년 연구팀은 1나노미터에서 6나노미터(사람 머리카락 굵기의 1만분의 1) 두께의 필름의 성장과 이동 측정을 완료하고 체계적인 결과를 얻어 준2개를 만들었다. 초박막의 차원 성장 측정이 가능해졌습니다.
2011년에 연구팀은 토폴로지 절연체의 에너지 밴드 구조를 정밀하게 제어하여 벌크 재료를 진정한 절연체로 만들고 운송 특성에 미치는 영향을 제거했습니다.
2012년 초, 연구팀은 준2차원 벌크 절연 토폴로지 절연체에서 자발적인 장거리 강자성을 달성하고 외부 게이트 전압을 사용하여 현장에서 전자 구조를 정밀하게 제어했습니다.
2012년 10월, 연구팀은 인가된 게이트 전압의 특정 범위 내에서 자기장이 0인 상태에서 이 물질의 비정상적인 홀 저항이 양자 홀 효과 h/e2?의 특성값에 도달한다는 사실을 마침내 발견했습니다. 25800Ω 세계의 문제가 극복되었습니다.
연구팀은 막 성장, 자기 도핑, 게이트 전압 제어, 저온 수송 측정 등 많은 어려움을 극복하고 전자 구조, 장거리 강자성 질서 및 에너지 밴드를 단계별로 구현했습니다. 토폴로지 절연체의 토폴로지는 정밀한 제어를 통해 마침내 이러한 물리적 현상의 실현에 대한 완벽한 결론을 가져왔습니다.
약 5년간의 고된 공동 연구 끝에 Xue Qikun 팀은 필름 성장, 자기 도핑, 게이트 전압 제어 및 저온 전송 측정과 같은 많은 어려움을 극복하고 점차 전자 구조와 긴 수명을 실현했습니다. 토폴로지 절연체의 범위 제어 강자성 순서와 에너지 밴드 토폴로지의 정밀한 제어는 마침내 이러한 물리적 현상의 실현에 대한 완벽한 결론을 가져왔습니다.
'사이언스' 잡지의 평론가는 "이 연구는 일반적인 양자 홀 효과의 다양한 소스에서 발생하는 단일 채널 에지 상태의 존재를 의심할 여지 없이 확인시켜 줍니다."라고 말했습니다. 나는 이것이 응집물질물리학에서 매우 중요한 성과라고 생각한다. ?다른 리뷰어는 다음과 같이 말했습니다. 이 기사는 Landau 수준 없이 양자 홀 효과에 대한 수년간의 탐구를 끝냅니다. 획기적인 기사입니다. ?