Quanten-Hall-Effekt

Quan|ten-Hall-Ef|fekt: [-'hɔ̃:l-; ↑ Hall-Effekt] svw. ↑ Klitzing-Effekt.

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Quạnten-Hall-Effekt

 

[-'hɔːl-], quạntisierter Hall-Effekt [-'hɔːl-], ein 1980 von K. von Klitzing (Nobelpreis für Physik 1985) entdeckter Effekt, der bei tiefen Temperaturen (< 1 K) und hohen magnetischen Flussdichten (etwa 10 T) in quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen, z. B. im Kanal von MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFET), auftritt; die Elektronen befinden sich dabei in einer nur wenige Atomlagen dicken Halbleiterschicht, sodass sie sich nur noch parallel zu dieser bewegen können, während die Bewegung senkrecht zur Schicht durch Potenzialbarrieren verhindert wird. Im starken Magnetfeld ist dann die zweidimensionale Elektronenbewegung in Landau-Niveaus quantisiert. Der Hall-Widerstand R_H des Systems (Hall-Effekt), gemessen als Funktion des Magnetfeldes oder der Elektronenkonzentration, weist dabei ausgeprägte Stufen (Plateaus) auf. Gleichzeitig verschwindet in den Plateaubereichen auch der Längswiderstand. R_H ist vom Material, von der Probenherstellung und -geometrie sowie anderen Größen unabhängig und nur von den Naturkonstanten e (Elementarladung) und h (plancksches Wirkungsquantum) bestimmt. Er ist in Einheiten von h / e² = 25 812,805 Ω quantisiert und kann beim ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt die Werte

 

annehmen. Die Entstehung des Quanten-Hall-Effekts ist noch nicht umfassend geklärt, wird aber auf Lokalisierungsphänomene im Elektronensystem zurückgeführt. Bei sehr tiefen Temperaturen (50 mK) und sehr hoher Beweglichkeit der Elektronen im Material ist ein fraktionierter (fraktionaler) Quanten-Hall-Effekt beobachtbar, bei dem n eine gebrochene Zahl ist (H. L. Störmer, Robert B. Laughlin, D. C. Tsui Nobelpreis für Physik 1998). - Mit dem Quanten-Hall-Effekt lässt sich der elektrische Widerstand auf eine elementare Größe zurückführen, die seit dem 1. 1. 1990 zur Darstellung der Widerstandseinheit Ohm dient.

 

Literatur:

 

The quantum Hall effect, hg. v. R. E. Prange u. a. (New York ²1990).