量子霍尔电阻公式,如何理解量子霍尔效应?

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如何理解量子霍尔效应?

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霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

霍尔效应的原理就是:当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场。在电场强度与洛伦兹力产生平衡之后,不再聚集,此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力,使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移,这个现象称为霍尔效应,而产生的内建电压称为霍尔电压。

量子霍尔效应(Quantum Hall effect),是霍尔效应的量子力学版本。一般看作是整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的统称。

整数量子霍尔效应由马普所的德国物理学家冯·克利青发现。他因此获得1985年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应由崔琦、霍斯特·施特默和亚瑟·戈萨德发现,前两者因此与罗伯特·劳夫林分享1998年诺贝尔物理学奖。

什么是量子霍尔效应?

量子霍尔效应是在极低的温度下电子在磁场方面的物理学理论,对效果的观察清楚地证实了量子力学作为一个整体。

结果之精确,以至于电阻测量的标准使用了量子霍尔效应,这也支持了在超导体方面的应用。

量子霍尔效应是量子力学版本的霍尔效应,需要在低温强磁场的极端条件下才可以被观察到,霍尔电阻与磁场不再呈现线性关系,而出现量子化平台。

霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现,它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体的两端产生电压差。

霍尔效应实验报告数据怎么计算?

1. 背景基础

由电场力等于洛伦兹力,我们可以得到

因此,纵向电流

我们可以定义霍尔系数

2. 实验测量

在实验上,我们最先得到的是霍尔电压V_H ( 即Vy ),由此可以得到霍尔电阻率测量到的霍尔电压可以通过下式转换为霍尔电阻率其中,, t为样品的厚度对应地,因此,如果我们从实验上测得霍尔电压,便可以得到霍尔电阻率和霍尔系数,进而得到样品的载流子浓度。

从微观角度看,我们可以得到正常霍尔效应下的电阻率公式

3. 数据处理

在实际测量时,粘的霍尔电极不会是严格地沿着霍尔电压方向,总是会有一定的纵向偏移;同样纵向电极也会有一定的横向偏移。因此我们需要通过测量正负磁场来进行对称化和反对称化,以此来得到纯粹的横向电阻率和纵向电阻率,即得到霍尔电阻率和纵向电阻率之后,我们有时候需要得到相应的电导率(因为对于理论学家而言,计算电导率总是相对简单的)。在不加磁场时,电阻率和电导率的关系很简单给样品加上一个垂直磁场之后,电阻率和电导率均变成一个二维张量,即由可得二者分量之间的关系

同理,可以得

通过以上关系,我们可以得到以下的结论:

如果,则我们可以得到不加磁场时的关系

如果,我们看到 .从普通的观点来看,以上的第二点是反直觉的,难以理解的。一个导体怎么可能既是完美的导体又是完美的绝缘体呢?

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