Effet Hall quantique fractionnaire. Schéma, description

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Effet Hall quantique fractionnaire. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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On a beaucoup écrit sur l'effet Hall ; cet effet est intensivement utilisé en technologie, mais les scientifiques continuent de l'étudier. En 1980, le physicien allemand Claus von Klitzung a étudié l'effet Hall à des températures ultra-basses. Dans une fine plaque semi-conductrice, von Klitzung a modifié en douceur l'intensité du champ magnétique et a découvert que la résistance de Hall ne changeait pas en douceur, mais brusquement. L'ampleur du saut ne dépendait pas des propriétés du matériau, mais était une combinaison de constantes physiques fondamentales divisées par un nombre constant. Il s’est avéré que les lois de la mécanique quantique ont modifié d’une manière ou d’une autre la nature de l’effet Hall. Ce phénomène a été appelé effet Hall quantique intégral. Pour cette découverte, von Klitzung reçut le prix Nobel de physique en 1985.

Deux ans après la découverte de von Klitzung, dans le laboratoire Bell Telephone (le même laboratoire dans lequel le transistor a été découvert), les collaborateurs de Stormer et Tsui ont étudié l'effet Hall quantique en utilisant un grand échantillon exceptionnellement pur d'arséniure de gallium produit dans le même laboratoire. L’échantillon avait un tel degré de pureté que les électrons le traversaient d’un bout à l’autre sans rencontrer d’obstacles. L'expérience de Stormer et Tsui s'est déroulée à une température beaucoup plus basse (presque zéro absolu) et avec des champs magnétiques plus puissants que l'expérience de von Klitzung (un million de fois plus fort que le champ magnétique terrestre).

À leur grande surprise, Stormer et Tsui ont constaté un saut dans la résistance de Hall trois fois plus important que celui de von Klitzung. Ensuite, ils ont découvert des sauts encore plus grands. Le résultat était la même combinaison de constantes physiques, mais divisée non pas par un nombre entier, mais par une fraction. Les physiciens considèrent la charge d’un électron comme une constante qui ne peut être divisée en parties. Et cette expérience semblait impliquer des particules dotées de charges fractionnaires. L'effet s'appelle l'effet Hall quantique fractionnaire.

Un an après cette découverte, un membre du laboratoire de Laughlin a donné une explication théorique de cet effet. Il a déclaré que la combinaison d’une température ultra-basse et d’un champ magnétique puissant amène les électrons à former un liquide quantique incompressible. La figure montre, à l’aide d’infographies, un flux d’électrons (billes) perçant un avion. La rugosité du plan représente la répartition de la charge d'un des électrons en présence d'un champ magnétique et de la charge des autres électrons.

Si un électron est ajouté à un liquide quantique, alors un certain nombre de quasiparticules avec une charge fractionnaire se forment (sur la figure, cela est représenté par un ensemble de flèches pour chaque électron).

$Effet Hall quantique fractionnaire$

En 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui et Robert Laughlin reçoivent le prix Nobel de physique. Actuellement, H. Stormer est professeur de physique à l'Université de Columbia, D. Tsui est professeur à l'Université de Princeton et R. Laughlin est professeur à l'Université de Stanford.

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