2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子霍尔效应专题.pptx

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1、量子霍尔效应专题霍尔效应的发现1878年，正在约翰霍普金斯大学读研究生的霍尔(E.H.Hall,18551938)发现，置于磁场内的固体导体中通以垂直于磁场的电流，导体垂直于磁场和电流的方向会产生与磁场成正比的电压。这一现象被命名为“霍尔效应”。E.H.Hall:On a New Action of the Magnet on Electric Currents.American Journal of Mathematics vol 2,1879,p.287-292霍尔效应形成的原理 电子导电的情形VHLWd+IBEHnxyz+-空穴导电的情形VHLWd+IBEHpxyz-+霍尔系数霍尔效应的

2、应用整数量子霍尔效应1978年1980年，冯克利青(K.von Klitzing,1946)等人发现，在在15T强磁场和低于液氦温度下的Si-MOSFET中，二维电子气的霍尔电阻与栅电压呈现出量子化的平台，即整数量子霍尔效应(IQHE)冯克利青因此获得1985年诺贝尔物理学奖二维电子气的独特性质量子霍尔效应的观察量子霍尔效应的观察整数量子霍尔效应的解释外加磁场二维电子气形成分立的朗道能级如果材料有缺陷，会使朗道能级的简并度降低，朗道能级展宽成有限宽度的局域态扩展态：原朗道能级态，可在整个平面内自由移动的电子态局域态：由缺陷导致的态局域在缺陷附近整数量子霍尔效应的解释整数量子霍尔效应的解释当电子态密度增加或磁场降低时，局域态被逐步填充，但扩展态占据数没有改变，因此，电流不变，霍尔电阻不变，形成一个台阶，只有电子密度在电压下增加到占据更高的朗道能级时，传导电子才增加，霍尔电阻突然变化栅电压变化使得费米能级在能隙(局域态)中时，对应霍尔电阻平台；费米能级在朗道能级(扩展态)时，对应霍尔电阻突然增加如保持栅电压不变(相当于费米能级不变)，只改变磁场，朗道能级及局域态整体压缩或伸展，也可以引起霍尔电阻发生类似的变化整数量子霍尔效应的解释整数量子霍尔效应的解释