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测发动机转速、控制电动车速度 霍尔效应其实离

滥觞:科技日报

可丈量汽车发念头转速、节制电动车行进速率

看似高妙的霍尔效应,着实离生活很近

第二看台

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最紧张的科学发明之一,迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。然则三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地,直到去年12月,我国复旦大年夜学物理学系修发贤课题组才公布,人类首次不雅测到三维量子霍尔效应。

而近日,中国科技大年夜学与其相助团队在《自然》刊登论文表示,他们经由过程实验验证了三维量子霍尔效应,并发清楚明了金属-绝缘体的转换。

电旌旗灯号与磁旌旗灯号转换的桥梁

之前,科学家对付量子霍尔效应的钻研仅仅停顿于二维体系,而对付三维体系也只有无尽的预测。修发贤团队发清楚明了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

这次,中国科技大年夜学的相助钻研团队紧随其后,进一步证明了三维量子霍尔效应并验证了显明的拓扑绝缘表征象。

霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中发明,以其人名命名并传布于世。其核生理论便是,带电粒子(例如电子)在磁场中运动时会受到洛伦兹力的感化发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场经由过程半导体时,载流子发生偏转,在导体两端聚积电荷从而在导体内部孕育发生电场,其偏向垂直于电流和磁场的偏向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差,这一征象便是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

总的来说,霍尔效应着实是电旌旗灯号与磁旌旗灯号的桥梁,任何电旌旗灯号转换为磁旌旗灯号的地方都可以有霍尔传感器。

这个看似高妙的观点,着实和我们的生活很近:比如我们将霍尔元件放在汽车中,可以丈量发念头的转速,车轮的转速及偏向位移;再比如,将霍尔元件放在电动自行车中,可以做成节制电动车行进速率的转把。

量子霍尔效应停顿在二维空间

在霍尔效应发明100年后的1980年,德国青年西席克劳斯·冯·克利青经由过程理论阐发和实验发清楚明了整数量子霍尔效应,将霍尔效应带到了量子的领域。

冯·克利青发明,量子霍尔效应一样平常都是在超低温和强磁场等极度前提下呈现。在极度前提下,电子的偏转不再像通俗霍尔效应中一样,而是变得加倍剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部环抱着某点转圈圈。也便是说,导体中心的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。由于这些发明,他在1985年得到诺贝尔物理学奖。

虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客,但相关钻研仅限于二维量子系统中。终究我们生活在三维空间中,假如延伸到三维系统中,量子霍尔效应会有如何的不合?

另辟途径验证三维量子霍尔效应

之前实现三维量子霍尔效应的思路,主要将二维量子系统进行堆叠。但这样获得的只是准二维量子霍尔效应,并没有不雅测到显着的量子霍尔电阻以及电子在空间的震惊。

我国科学家另辟途径,选择了不一样的材料。修发贤课题组选择的是砷化镉楔形纳米布局,中国科技大年夜学团队选择的是碲化锆三维晶体。这些被觉得是拓扑绝缘体的三维纳米布局,已有科学家在此中不雅测到与二维量子霍尔效应类似的征象,即其一个偏向的电阻出现台阶式变更,另一个偏向的电阻出现震惊。而我们分手在世界上首次实现对三维量子霍尔效应的不雅测和验证。

在此次钻研中,中国科技大年夜学团队还将材料的导电特点进行了“大年夜扫描”,得出了金属-绝缘体的转换规律:人们能够经由过程节制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种道理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材猜中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和相应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有利用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特点,还能利用于特殊的载流子传输系统。

责任编辑:向勤如(EN006)

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