霍爾效應

霍爾效應是電磁效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的。 當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差?；魻栃褂?/span>左手定則判斷。 

發(fā)現(xiàn)：

霍爾效應 在1879年被物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場和感應電壓之間的關(guān)系，這種效應和傳統(tǒng)的電磁感應完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產(chǎn)生電勢差。 

雖然這個效應多年前就已經(jīng)被人們知道并理解，但基于霍爾效應的傳感器在材料工藝獲得重大進展前并不實用，直到出現(xiàn)了高強度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計和配置的不同，霍爾效應傳感器可以作為開/關(guān)傳感器或者線性傳感器，廣泛應用于電力系統(tǒng)中。 

解釋：

在半導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場力與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，此時電場將會使后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來的電子和空穴能順利通過不會偏移，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。  

方便起見，假設(shè)導體為一個長方體，長度分別為a、b、d，磁場垂直ab平面。電流經(jīng)過ad，電流I = nqv(ad)，n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導體沿霍爾電壓方向的電場為VH / a。設(shè)磁感應強度為B。   

洛倫茲力

F=qE+qvB/c(Gauss 單位制)

電荷在橫向受力為零時不再發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場作用下在器件的兩個側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號電荷堆積從而形成橫向霍爾電場

由實驗可測出 E= UH/W 定義霍爾電阻為

RH= UH/I =EW/jW= E/j

j = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)

UH=RH I= -B I /(q n c)

本質(zhì)：

固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，*終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。 正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。

應用：

霍爾效應在應用技術(shù)中特別重要。霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場(B)中的導體(d)施加一個電流(Iv)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應。 好比一條路， 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動。當有磁場時， 大家可能會被推到靠路的右邊行走。故路 (導體) 的兩側(cè)，就會產(chǎn)生電壓差。這個就叫“霍爾效應”。根據(jù)霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。

迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。

例如汽車點火系統(tǒng)，設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，能夠適應惡劣的工作環(huán)境，還能精*地控制點火正時，能夠較大幅度提高發(fā)動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。

用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機和雨刮器電機在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機械式開關(guān)觸點產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。

霍爾器件通過檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，可用于監(jiān)視和測量汽車各部件運行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進行二次變換；可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實現(xiàn)自動檢測。如今的霍爾器件都可承受一定的振動，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應汽車的惡劣工作環(huán)境。

發(fā)展：

在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應，這是當代凝聚態(tài)物理學令人驚異的進展之一，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。 之后，美籍華裔物理學家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美國物理學家勞克林(Robert B.Laughlin，1950-)、施特默(Horst L. St?rmer，1949-)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應，這個發(fā)現(xiàn)使人們對量子現(xiàn)象的認識更進一步，他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學獎。

如今，復旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應”的研究。“量子自旋霍爾效應”*先由張首晟教授預言，之后被實驗證實。這一成果是美國《科學》雜志評出的2007年十大科學進展之一。如果這一效應在室溫下工作，它可能導致新的低功率的“自旋電子學”計算設(shè)備的產(chǎn)生。 工業(yè)上應用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據(jù)霍爾效應制成的，誤差精度能達到0.1%以下。

由清華大學薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯(lián)合組成的團隊在量子反?；魻栃?/span>研究中取得重大突破，他們從實驗中首*觀測到量子反?；魻栃?，這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現(xiàn)象，也是物理學領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。

相關(guān)效應：

1、量子霍爾效應：1.1整數(shù)量子霍爾效應：量子化電導e²/h被觀測到，為彈道輸運（ballistic transport）這一重要概念提供了實驗支持。1.2分數(shù)量子霍爾效應：羅伯特·勞克林與J·K·珍解釋了它的起源。兩人的工作揭示了渦旋（vortex）和準粒子（quasi-particle）在凝聚態(tài)物理學中的重要性。

2、熱霍爾效應：垂直磁場的導體會有溫度差。

3、Corbino效應：垂直磁場的薄圓碟會產(chǎn)生一個圓周方向的電流。

4、自旋霍爾效應

5、量子反常霍爾效應

研究前景：

整數(shù)量子霍爾效應的機制已經(jīng)基本清楚，而仍有一些科學家，如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分數(shù)量子效應的研究。一些理論學家指出分數(shù)量子霍爾效應中的某些平臺可以構(gòu)成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎(chǔ)。

石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同，稱為異常量子霍爾效應(Anomalous Quantum Hall Effect)。

此外，Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應的概念,與之相關(guān)的實驗正在吸引越來越多的關(guān)注。

中國科學家發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?/span>

《科學》雜志在線發(fā)文，宣布中國科學家領(lǐng)銜的團隊首*在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)π畔⒓夹g(shù)進步產(chǎn)生重大影響。

這一發(fā)現(xiàn)由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤(原曲阜師范大學物理工程學院教師）領(lǐng)銜，清華大學、中國科學院物理所和斯坦福大學的研究人員聯(lián)合組成的團隊歷時4年完成。在美國物理學家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?/span>133年后，終于實現(xiàn)了反?；魻栃牧孔踊@一發(fā)現(xiàn)是相關(guān)領(lǐng)域的重大突破，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應和反?；魻栃?。1980年，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應，1982年，美國科學家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，成功實現(xiàn)了“量子反?；魻栃?/span>”。這是國際上該領(lǐng)域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。

量子霍爾效應是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域*重要、*基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個**體現(xiàn)。1980年，德國科學家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦(Daniel CheeTsui)、美國物理學家施特默(Horst L. Stormer)等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林(Rober B. Laughlin)給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應是“量子反?；魻栃?/span>”——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

“量子反?；魻栃?/span>”是多年來該領(lǐng)域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應;同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反?；魻栃?佳體系[Science，329, 61(2010)]。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反?；魻栃?/span>”態(tài)。該理論與材料設(shè)計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界**實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?。

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反?；魻栃?/span>”，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序;鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導致拓撲非平庸的帶結(jié)構(gòu);同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學和中科院物理所為共同**作者單位。

該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同**、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求*杰出科學家獎”、“求*杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學獎”等榮譽。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委員會和教育部等部門的資助。