量子霍尔效应-北京大学物理学院
量子霍尔效应
量子霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。
当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。
霍尔效应使用左手定则判断。
发现霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。
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。
虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。
根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。
解释在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力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。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a、b、d，磁场垂直ab平面。
电流经过ad，电流I=nqv(ad)，n为电荷密度。
设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH/a。
设磁感应强度为B。
洛伦兹力F=qE+qvB/c(Gauss单位制)电荷在横向受力为零时不再发生横向偏转，结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场由实验可测出E=UH/W定义霍尔电阻为RH=UH/I=EW/jW=E/jj=qnvRH=-vB/c/(qnv)=-B/(qnc)UH=RHI=-BI/(qnc)本质固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。
量子霍尔效应及其应用
量子霍尔效应及其应用在物理学的领域中，有一个奇妙的现象叫做“量子霍尔效应”，它为人们探索量子世界带来了新的希望与挑战。
量子霍尔效应是由德国物理学家冯·克尔门和英国物理学家诺贝尔奖得主D·C·泰勒分别在1980年和1982年发现的。
它是指在二维电子气中，当磁场强度达到一定值时，电子会在其磁场下形成一系列别具魅力的量子态。
这些“量子霍尔态”具有非常特殊的电导性质，它们在电场下无电阻地输运电子，也就是说，电流将不再受到外界干扰而保持流动状态，这就是“量子霍尔效应”的基本原理。
量子霍尔效应有广泛的应用前景，因为它不仅扩展了凝聚态物理理论的边界，而且可以在新型的电子器件中得到应用。
例如，由于量子霍尔态具有无电阻输运性质，因此可以为能源传输带来新的可能。
此外，在信息领域中，量子霍尔效应还可以用于构造以量子位为基本构件的量子计算机，这将极大地加速未来信息领域的进步。
量子霍尔效应的研究并不容易。
首先，由于它发生在极低温度下（接近绝对零度，通常低于1K），因此所使用的实验设备必须具备非常高的稳定性和准确定量度能力。
此外，由于三维杂质和表面缺陷等因素可能对量子霍尔效应的产生和态的性质产生影响，因此必须避免这些影响，开展高精度的实验和理论研究。
一些著名的物理学家和研究团队已经在多方面开展相应的研究工作。
例如，新加坡国立大学的张首晟教授团队通过改变二维电子气中的间隔距离来控制量子霍尔效应，首次获得了反常量子霍尔效应。
美国加州大学伯克利分校的拉古达博士和他的同事则发现，在一些拓扑材料中，可以存在一些特殊的量子霍尔边界态，它们具有强大的能量跨越能力，可在量子计算机和量子通信中担任重要角色。
总的来说，量子霍尔效应和其应用是物理学和电子学领域的重大研究方向。
未来，相关新技术的发展和改进将会带来更多的惊喜和新的应用前景。
强磁场下的量子霍尔效应
强磁场下的量子霍尔效应量子霍尔效应（Quantum Hall Effect，简称QHE）是一种令人着迷的物理现象，它在强磁场下发生。
本文将介绍强磁场下的量子霍尔效应及其相关原理、实验验证以及应用领域。
1. 引言量子霍尔效应是1980年由生于美国的物理学家克劳斯·冯·克里茨弗尔德和霍拉米·阿哈罗诺夫（Klaus von Klitzing and Horst L. Störmer）以及德国物理学家陶尔·普林兹（Theodor W. Hänsch）通过实验发现的。
他们因此成果而于1985年共同获得诺贝尔物理学奖。
2. 量子霍尔效应原理量子霍尔效应的基础是电子在二维电子气中受到磁场的约束运动。
在强磁场下，电子的能级会发生分立的变化，这种能级在确定的填充因子下会出现量子化。
量子霍尔效应中最重要的参量是霍尔电导，其可用于衡量系统的导电性。
3. 量子霍尔效应的实验验证为了验证量子霍尔效应的存在，科学家们进行了一系列的实验观测。
其中最具代表性的实验是通过测量霍尔电阻来确认电子在强磁场下表现出量子霍尔效应。
实验结果显示，在特定的填充因子条件下，霍尔电阻将会出现为精确的整数倍数。
4. 量子霍尔效应的应用领域量子霍尔效应在实际中找到了广泛的应用领域。
其中最重要的应用是在电阻标准和精确测量领域。
由于量子霍尔效应具有精确的整数倍性质，可以用于制造精密的电阻器，用于标定电流和电压的标准。
此外，量子霍尔效应还在电子学、凝聚态物理学以及拓扑量子计算中具有重要意义。
总结：强磁场下的量子霍尔效应是一项具有重要物理意义的现象。
它引起了科学界的广泛关注，不仅揭示了量子化现象的本质，还在实际应用中发挥了重要作用。
通过对量子霍尔效应的研究，我们可以更好地理解和应用于其他领域的量子效应。
尽管还有许多未解决的问题，但量子霍尔效应无疑是现代物理学的一大突破，为我们揭示了宇宙中微小尺度的奥秘。
量子霍尔效应
量子霍尔效应霍尔效应，它实际上一种电磁效应的。
我们给一块半导体通电，在导体外面外加一个与电流方面垂直的磁场，磁场会使半导体中的电子与空穴（可以视为正电荷）受到不同方向的洛伦兹力而在不同方面上聚集，聚集起来的电子和空穴之间会产生电场，此时在半导体两侧产生了垂直于磁场和电流方向的电压，而且在此电压生成的电场力和磁场的洛伦兹力平衡以后，后来的电子和空穴就不在聚集，顺利通过不发生偏移。
这种现象是由美国物理学家霍尔于1879年研究金属导电机制的时候发现的，所以命名为“霍尔效应”，且在实际生活中产生了广泛的应用，根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒介，将物体的运动参数转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关功能。
如：汽车的点火系统，设计人员将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作机械断电器，用作点火脉冲发生器。
这种霍尔点火发生器随着转速变化的磁场在带电半导体内产生脉冲电压，控制电控单元的初级电流。
相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的环境，同时能够精确的控制点火，具有明显的优势。
什么是量子霍尔效应（二维）我们上面所说的霍尔效应是在三维的导体中实现的，其中的电子可以在导体中自由运动。
现在科学家通过某些手段将电子限制在一个二维平面内，之后添加一个垂直于该平面的磁场，同时沿着二维电子平面一个方向通以电流，此时在二维平面的另一个方向上测量到电压。
这种现象称为量子霍尔效应，属于量子力学版的霍尔效应。
该现象是由德国物理学家冯•克利青发现，并因此获得1985年的诺贝尔物理学奖。
但是为何在霍尔效应提出100年后才有人发现量子霍尔效应。
主要原因是理想的二维电子气难以实现，在半导体技术高速发展之后，人们才能在“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”中实现比较理想的二维电子气，而且想要观测到这种现象还需要提供极低温和强磁场环境。
量子霍尔效应与上一节提到的霍尔效应最大不同之处在于横向电压对磁场的响应不同。
量子霍尔效应的条件和原因
量子霍尔效应的条件和原因量子霍尔效应是一种非常神奇且复杂的物理现象呢。
先来说说量子霍尔效应的条件吧。
在极低温和强磁场的条件下，量子霍尔效应才会比较明显地展现出来哦。
极低温这个条件很关键，因为在低温环境下，电子的热运动被大大抑制啦。
你想啊，要是电子热运动很剧烈的话，就会干扰到我们想要观察到的量子霍尔效应相关的电子行为呢。
强磁场也是必不可少的呀。
强磁场能够对电子产生一种约束作用，就像是给电子的运动划定了一些特殊的轨道一样。
这个磁场的强度得达到一定的数值，不然的话，对电子的影响就不够显著，量子霍尔效应就难以出现。
而且呢，这个体系往往是在二维的电子气系统中观察到的。
二维的电子气系统比较特殊，电子在这样的系统里的运动自由度相对比较有限，这就使得在强磁场和极低温下，电子更容易呈现出量子霍尔效应相关的特殊行为。
再讲讲量子霍尔效应产生的原因吧。
这就不得不提到电子的量子特性啦。
在强磁场和极低温的环境下，电子的能量状态是量子化的哦。
电子在磁场中的运动轨迹会形成一些分立的朗道能级。
电子只能处在这些特定的能级上，而不能处于能级之间的能量状态。
当我们在这个系统中施加电场的时候，电子在这些分立的能级之间跃迁或者移动的方式就很特别啦。
电子在这种特殊的环境下，会以一种非常有序的方式来传导电流，这就导致了霍尔电阻呈现出量子化的数值。
这种量子化的数值不是连续变化的，而是以一个个离散的值出现，这是非常违反我们日常对于电阻变化的认知的。
这是因为电子在磁场和低温的双重约束下，它们的运动已经不再是经典物理中的那种自由运动啦，而是受到量子力学规则严格控制的运动。
就好像电子们在一个被精心编排的舞台上跳舞，每个电子都遵循着量子力学的规则来走位，从而产生了这种神奇的量子霍尔效应。
量子霍尔效应真的是很迷人的一个物理现象呢。
它的这些特殊的条件和背后的原因，都是物理学家们不断探索和研究的结果。
虽然理解起来有些困难，但是只要我们深入地去学习量子力学的相关知识，就能够逐渐揭开量子霍尔效应神秘的面纱。
量子霍尔效应
量子霍尔效应
由式(11- 64b)可得
这一比值具有电阻的量纲，因而被定义为霍尔电阻RH.此式表明，霍尔电阻应正比磁场B. 1980年，在研究半导体在极低温度下和强磁场中的霍尔效应时，德国物理学家克里青(Klaus vonKlitzing)发现霍尔电阻和磁场的关系并不是线性的，而是有一系列台阶式的改变, 如图11- 51所示(该图数据是在1. 39 K的温度下取得的，电流保持在25.
52 FiA不变).这一效应叫量子霍尔效应，克里青因此获得1985年诺贝尔物理学奖.
量子霍尔效应只能用量子理论解释，该理论指出
图11-51址子犠尔效应
式申岛叫做克里青常氐它和基本常用h和(•有关，即
R, = g = 25 813<0>. (11-66) 由于Rk的测定值可以准确到10-io,所以量子霍尔效应被用来定义电
阻的标准，从1990年开始，“欧姆”就根据霍尔电阻精确地等于25
812. 80 n来定义了.
克里青当时的测量结果显示，式(11-65)中的N为整数，其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui, 19 39-)和施特默(H. L. Stomer, 19 49-)等人研究量子霍尔效应时，发现在更强的磁场(如20甚至30 T)下，式(11- 65)中的”可以是分数，如1/3, 1/5, 1/2, 1/4 等，这种现象叫分数量子霍尔效应，这一发现和理论研究使人们对宏观量子现象的认识更深入了一步.崔琦、施特默和劳克林(R_珏Laughlin, 1950-)等人也因此而获得了1998年诺贝尔物理学奖.。
什么是“量子霍尔效应”？
什么是“量子霍尔效应”？"量子自旋霍尔效应"是指找到了电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地"舞蹈"，从而使能量耗散很低。
在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下（即保持时间反演对称性的条件下），特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，即量子自旋霍尔效应。
如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被抑制。
比如，通过铁磁性，这自然的会导致量子反常霍尔效应。
铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于材料磁化带来的反常霍尔效应部分组成。
量子反常霍尔效应指的是反常霍尔效应部分的量子化。
量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子反常霍尔效应的研究进程。
前期的理论预言指出，量子反常霍尔效应能够通过抑制H gT e系统中的一条自旋通道来实现。
遗憾的是，目前还没有能够在这个材料系统实现铁磁性，即而无法实现量子化反常霍尔效应。
后来又有理论预言指出，将B i2Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂，就有可能能够实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。
这个理论预言被常翠祖等人通过实验证实。
(要在实验上实现量子反常霍尔效应，)常翠祖等人需要战胜一系列非常困难的材料问题。
量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。
上面理论预言的Bi2Se3体系，由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。
为了避免这个问题，他们选择了(B i1-x Sb x)2T e3体系。
这个体系中，可以通过改变S b的组分x，他们能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。
通过对材料各种参数进一步的不断优化，他们最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。
他们观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。
量子霍尔效应及其在量子计算中的应用
量子霍尔效应及其在量子计算中的应用量子计算作为一种新兴的计算模型，旨在利用量子物理的特性加速计算速度和解决传统计算难题。
在量子计算中，量子霍尔效应是一个重要的现象，并且被广泛研究和应用。
本文将介绍量子霍尔效应的基本原理和特点，并探讨其在量子计算中的潜在应用。
量子霍尔效应是指在二维电子系统中，当施加垂直于平面的磁场时，电子在应变下会出现无损耗的电流传输现象。
这种电流传输是由电子的强关联效应引起的，表现为电子在二维系统中形成了量子态，而这些量子态具有拓扑不变性。
通过在二维电子系统中施加磁场，这些量子态会形成特定的能带结构，使得电子只能在能隙中传输。
这种特殊的能带结构被称为量子霍尔态。
量子霍尔效应在量子计算中具有广泛的应用。
首先，量子霍尔效应可以用来实现拓扑量子计算。
拓扑量子计算是一种利用拓扑性质进行计算的新型计算模型。
通过调制外部场，可以改变量子霍尔态的拓扑结构，从而实现拓扑量子逻辑门的操作。
这种方法可以大大提高计算的稳定性和可靠性，有望解决传统计算中的错误率和噪声问题。
其次，量子霍尔效应还可以被用来构建量子比特和量子门。
量子比特是量子计算的基本单位，类似于经典计算中的二进制位。
通过将量子霍尔态中的拓扑能级作为量子比特的信息载体，可以实现量子比特的初始化、操作和读取。
量子门是量子逻辑操作的基本单元，可以用来实现量子运算。
通过将量子霍尔效应与其他量子效应相结合，可以构建各种量子门来实现量子计算中的算法和计算任务。
此外，量子霍尔效应还可以用于量子存储和量子通信。
量子存储是指将量子信息保存在量子态中，以便后续读取和操作。
量子通信是指利用量子态传输信息，以实现更安全和高效的通信。
量子霍尔态的拓扑性质使得其在量子存储和量子通信中具有潜在的优势。
通过调控量子霍尔态的能带结构和边界条件，可以实现更稳定和长久的量子存储。
同时，量子霍尔态的拓扑绝缘性质可以用来保护量子信息的传输过程，提高信息传输的安全性。
总结起来，量子霍尔效应是二维电子系统中的一种量子现象，其在量子计算中具有广泛的应用潜力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
个非常简单的结果，提供了对自由电子气体模型正确性最直接的检验方式。
一 些 金 属 元 素 室 温 下 的 霍 尔 系 数 [1]
元素 Li
Z
RH/(10-10m3 C-1)
-1/RHne
1
-‐1.7
0.8
Na
1
-‐2.5 虽然自由Fra bibliotek子气模型在以上两方面无法给出准确的实验结果，但是对下面讨
论 1980 年发现的整数量子霍尔效应却是相当不错的。为了接下来讨论整数量子
霍尔效应的方便，我们需要由(1.2)引入电导率张量σ ij （称为静态磁致电导率张
量）：
⎛1
σ
=
1+
σ0
(ω cτ
(1.3)
Ey 可理解为与电子所受洛伦兹力相平衡的电场。
由此定义霍尔系数
图 1：霍尔效应示意图
⎧⎨⎪ ⎩⎪
σ 0Ex = Jx + ω cτ Jy σ 0Ey = −ω cτ Jx + Jy
(1.2)
)2
⎜ ⎜ ⎝⎜⎜
ω cτ 0
−ω cτ 1
0
0⎞ ⎟
0 ⎟ (1.5)
Zn
2
+0.33
-‐1.4
Cd
2
+0.60
-‐1.1
Al
3
-‐3.0
0.1
关于上述数据的两点讨论：
（1） 从电子气体理论上，有结果-1/RHne 应该为 1。从表中可以看出，对一价 碱金属符合的很好，对一价贵金属就符合较差。而对于一些二、三价金属
整数量子霍尔效应、1982 年崔琦等发现的分数量子霍尔效应以及最近才由薛其
坤带领团队所完成的反常量子霍尔效应。本文最后讨论量子霍尔效应在实际中的
应用。
关键词：霍尔效应；量子霍尔效应；反常霍尔效应；应用
一、 经典霍尔效应
1879 年，霍尔在研究载流导体在磁场中的受力性质时发现：在均匀磁场 B
1.0
K
1
-‐4.2
1.1
Cu
1
-‐0.55
1.3
Ag
1
-‐0.84
1.3
Au
1
-‐0.72
1.5
Be
2
+2.44
-‐0.10
中放入一块板状金属导体，当电流垂直于磁场 B 方向流过导体时，在垂直于电
流和磁场的方向导体两侧会产生一个横向电场。这种现象便是经典霍尔效应。
在电子发现之前，人们不能认识到霍尔效应现象产生的本质，直到 19 世纪
末电子的发现以及对电子研究的不断深入，使霍尔效应的理论研究不断取得突破
就连符号都预言地是相反的，仿佛此时的载流子是带正电的，这是自由电
子气体模型所无法解释的。
派尔斯（1928 年）曾对这种符号反常现象进行了解释。这种不能采用自
由电子气解释并会给出正号的载流子，后来海森堡称之为“空穴”，利用
能带理论能够给出很自然的解释。
（2） 横向磁阻表示在与电流方向垂直的外磁场作用下，在电流方向电阻的变化， 此处即电阻率 ρ(B) = Ex Jx 的变化。对于稳态情形（即 y 方向没有电流）， 由(1.2)给出 Jx = σ 0Ex ，意味着自由电子气横向磁阻为零。但对于金属的 测量表明，实际上往往不为零，有时甚至相当大。
性的成果。由于霍尔效应的大小直接与样品中的载流子浓度相关，故在凝聚态物
理领域获得了广泛的应用，成为金属和半导体物理中一个重要的研究手段。
现在我们考虑用最经典的 Drude 的自由电子气模型来分析霍尔效应（原理图
见图 1），在电场 E 与磁场 B 同时存在的情形下，单电子准经典动力学方程为
其中ω c
=
eB m
称为回旋频率，σ 0
=
ne2 mτ
为未加磁场下的电导率。
当 y 方向没有电流时，y 方向会有稳定的电场 Ey 出现，由(1.2)立即得到
Ey
=
−
B ne
Jx
dp dt
=
−e(E
+
v
×
B)
−
p τ
(1.1)
考虑稳态情况 dp = 0 ，电流密度 J = −env ，则(1.1)式写为分量形式 dt
量子霍尔效应
王韩腾，李欣蔚，张子豪
（北京大学物理学院 2013 年 6 月 4 日）
摘要：量子霍尔效应的发现是新兴低维凝聚态物理发展中的一件大事，分数量子
霍尔效应的发现更是开创了一个研究多体现象的新时代，并将影响到物理学的很
多分支。这个领域两次被授予诺贝尔物理学奖，引起了人们很大的兴趣。文章介
绍了霍尔效应的发展历程，主要包括 1897 年霍尔效应、1980 年冯·克利青发现
RH
=
Ey JxB
=
−
1 ne
(1.4)
霍尔系数仅依赖于自由电子气的电子密度，与金属的其他参数无关。这是一