Efeito Hall quântico fracionário. Esquema, descrição

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Efeito Hall quântico fracionário. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Muito já foi escrito sobre o efeito Hall, esse efeito é intensamente usado em tecnologia, mas os cientistas continuam a estudá-lo. Em 1980, o físico alemão Klaus von Klitzung estudou a operação do efeito Hall em temperaturas ultrabaixas. Em uma placa semicondutora fina, von Klitzung mudou suavemente a força do campo magnético e descobriu que a resistência de Hall não muda suavemente, mas salta. A magnitude do salto não dependeu das propriedades do material, mas foi uma combinação de constantes físicas fundamentais divididas por um número constante. Descobriu-se que as leis da mecânica quântica de alguma forma mudaram a natureza do efeito Hall. Esse fenômeno foi chamado de efeito Hall quântico integral. Por esta descoberta, von Klitzung recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1985.

Dois anos após a descoberta de von Klitzung no laboratório da Bell Telephone (o mesmo onde o transistor foi descoberto), Stormer e Tsui estavam estudando o efeito Hall quântico usando uma amostra grande e excepcionalmente pura de arsenieto de gálio feita no mesmo laboratório. A amostra tinha um grau de pureza tão alto que os elétrons passavam de ponta a ponta sem encontrar obstáculos. O experimento de Stormer e Tsui ocorreu em uma temperatura muito mais baixa (quase zero absoluto) e com campos magnéticos mais fortes do que o experimento de von Klitzung (um milhão de vezes mais forte que o campo magnético da Terra).

Para sua surpresa, Stormer e Tsui encontraram um salto na resistência de Hall três vezes maior que o de von Klitzung. Então eles encontraram saltos ainda maiores. A mesma combinação de constantes físicas foi obtida, mas dividida não por um número inteiro, mas por um número fracionário. A carga de um elétron é considerada pelos físicos como uma constante, não divisível por partes. E neste experimento, por assim dizer, participaram partículas com cargas fracionárias. O efeito foi chamado de efeito Hall quântico fracionário.

Um ano depois dessa descoberta, Laughlin, funcionário do laboratório, deu uma explicação teórica do efeito. Ele afirmou que a combinação de temperatura ultrabaixa e um poderoso campo magnético faz com que os elétrons formem um fluido quântico incompressível. A figura mostra o fluxo de elétrons (bolas) perfurando o plano usando computação gráfica. As irregularidades do plano representam a distribuição da carga de um dos elétrons na presença de um campo magnético e a carga de outros elétrons.

Se um elétron é adicionado a um líquido quântico, forma-se uma certa quantidade de quasipartículas com carga fracionária (na figura, isso é mostrado como um conjunto de setas para cada elétron).

$Efeito Hall quântico fracionário$

Em 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui e Robert Laughlin receberam o Prêmio Nobel de Física. Atualmente, H. Stormer é professor de física na Universidade de Columbia, D. Tsui é professor na Universidade de Princeton e R. Laughlin é professor na Universidade de Stanford.

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