量子霍尔效应：绝对测量电阻的突破

量子霍尔效应的发现

执著追求的成果

量子霍尔效应，一般被看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。整数量子霍尔效应是由德国物理学家冯·克利青发现的。分子霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，再沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场二者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。

冯·克利青

1980年一种新的霍尔效应又被发现，这就是冯·克利青从金属－氧化物－半导体场效应晶体管发现的量子霍尔效应。这个发现决定性的试验是在1980年2月5日晚上进行的。这个发现证实了电阻是量子性的，其最小单位由两个物理常数决定：普朗克常数h和电子电荷e。因此它本身也是一个物理常数。通过量子霍尔效应如今可以对电阻进行绝对的和极精确的测量。从1990年开始电阻的单位欧姆的定义是根据量子霍尔效应确定的。量子霍尔效应也是纳米电子工程的出发点。通过它可以研究比今天的微电子学小的多的半导体元件的物理特性。当时冯·克利青正在法国格勒诺勃的强磁场实验室里测量各种样品的霍尔电阻。这个实验室是马克斯·普朗克固体研究所与法国国家研究中心联合建设的，1978年由兰德威尔教授担任实验室主任。恩格勒特随他一起来到格勒诺勃，从事二维电子系统的研究。1979年秋，冯·克利青也来参加。他们拥有一台强达25T的磁场设备，比别的地方强得多，得到的霍尔平台也显著得多。他们测量的所有样品都显示有同样的特征，i=4的平台霍尔电阻都等于6450Ω，正好是h/4e²。这个值与材料的具体性质无关，只决定于基本物理常数h与e。对于这件事，冯·克利青自己曾说过：“量子霍尔效应的真谛并不在于发现霍尔电阻曲线上有平台，这种平台在我的硕士生爱伯特1978年发表的硕士论文时已发现，只是那时我们不了解平台产生的原因，也没有给出理论解释。我们那时只认为材料中的缺陷严重地影响了霍尔效应。这些结果已经公开发表，大家也都知道，并且大家都能重复。量子霍尔效应的根本发现使这些平台高度是精确地固定，它们是不以材料、器件的尺寸而转移的，它们只是由基本物理常数h和e来确定的。”当有人问冯·克利青，量子霍尔效应是不是一个偶然的发现？他解释说量子霍尔效应作为一个普遍规律而存在的重大想法是在1980年2月5日凌晨突然闪现出来的，但它是基于长期研究工作之后的一个飞跃。“通过测量大量的不同样品，才第一次可能认识这样一种特殊的规律，而这种平凡重复的测量简直弄得我们感到乏味，我们反复变化样品，变化载流子浓度，将磁场从零扫描到最大……终于我们发现了这样的特殊规律，所以这一结果的取得是长时间努力工作的结果，这些测量的曲线无时不在我的脑子里盘旋着，反复思考着。冯·克利青发现量子霍尔效应的确不是偶然的。除了他执著的追求、顽强的探索精神之外，还要归功于他所处的环境。他所在的维尔茨堡大学有着非常良好的学术气氛，对他的研究大力支持，正如他自己所说，“这里既没有研究经费方面的困难，也没有来自行政的干扰，因此我们总是把眼光盯在最高目标上。”与工业界的合作也是他成功的一个重要因素。

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量子霍尔效应

金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显著；半导体的霍尔系数则大的多，霍尔效应显著。从20世纪60年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速发展，人们发现用半导体材料制成的霍尔元件具有对磁场敏感，结构简单，体积小，频率响应宽，输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此将其广泛应用于电磁测量，非电磁测量，自动控制，计算机与通讯装置中。例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。

冯·克利青获诺贝尔奖

冯·克利青因发现量子霍尔效应，获得了1985年度诺贝尔物理学奖。1980年，冯·克利青从金属－氧化物－半导体场效应晶体管发现了一种新的量子霍尔效应。量子霍耳效应是继1962年约瑟夫森效应发现之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。它是20世纪以来凝聚态物理学和有关新技术(包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等)综合发展加上冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。