量子霍尔效应的发展历程_韩燕丽
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。
量子力学中的量子霍尔效应研究
量子力学中的量子霍尔效应研究量子霍尔效应是指在低温和强磁场条件下，二维电子系统中观察到的一种非常特殊的电导行为。
这种现象的发现和研究，对于我们理解凝聚态物理学和量子力学的基本原理具有重要意义。
本文将从量子霍尔效应的发现历史、理论解释和实验研究等方面展开讨论。
量子霍尔效应的发现可以追溯到20世纪70年代。
当时，德国物理学家冯·克莱茨等人通过实验证实，在低温和强磁场下，二维电子气体的电导率会出现量子化的现象。
这意味着电子在二维平面上运动时，其电导率只能取特定的离散值，而非连续的。
这一发现引起了广泛的关注和研究，被认为是凝聚态物理学的重大突破之一。
量子霍尔效应的理论解释是基于量子力学的基本原理。
在强磁场下，电子的运动受到量子化的限制，只能沿着磁场方向运动，并形成一维的电子能级。
当温度趋近于绝对零度时，电子会填充这些能级，形成所谓的朗道能级。
在二维电子气体中，朗道能级的填充数目决定了电子的电导行为。
当朗道能级的填充数目发生变化时，电导率会出现跃迁，从而导致电导率的量子化。
实验研究是进一步理解量子霍尔效应的重要手段。
通过精确控制低温和强磁场条件，科学家们可以观察到量子霍尔效应的具体行为，并进行详细的测量和分析。
例如，通过测量电导率随磁场和温度的变化，可以确定量子霍尔效应的临界条件和相应的量子化数值。
此外，还可以通过引入杂质和缺陷等控制参数，研究量子霍尔效应的局域化和相变等现象。
近年来，随着量子技术的快速发展，量子霍尔效应的研究也取得了一系列重要进展。
例如，科学家们利用量子霍尔效应构建了一种新型的电子学器件——量子霍尔效应转换器。
这种器件可以将电流转换为高精度的电压信号，具有极高的灵敏度和稳定性，广泛应用于精密测量和量子计算等领域。
此外，量子霍尔效应还与拓扑物理学密切相关。
拓扑物理学是近年来兴起的一门新兴学科，研究物质的拓扑性质和拓扑相变等问题。
量子霍尔效应被认为是一种具有拓扑性质的量子态，其独特的电导行为与拓扑不变量之间存在紧密的联系。
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
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．。
量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的发展现状及前景展望
量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的发展现状及前景展望摘要：本文首先介绍了量子霍尔效应的发现历程与物理特性，并简要阐述了其机理。
本文亦对量子霍尔效应的发生条件-二维电子气的构建方式进行了相应介绍，分析了量子霍尔效应的应用前景与主要发展问题。
最后，本文介绍了量子反常霍尔效应的发现与现阶段的实验成果，对该技术的应用化进行了展望。
关键词：量子霍尔效应；量子反常霍尔效应1引言量子霍尔效应发现于上个世纪80年代，其独特的物理特性为研制无能耗电子元器件带来了可能，此项研究成果为克里青斩获了1985年诺贝尔物理学奖。
之后，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert ughlin，1950-)、施特默(Horst L. Strmer，1949-)以此为基础，在强磁场下发现了分数量子霍尔效应，将人们对量子及霍尔效应的认知提升到了一个新的高度，他们因此项研究被授予了1998年的诺贝尔物理学奖。
由于对条件要求十分苛刻，在量子霍尔效应的实际应用方面进展受限，科学家们致力于寻求新的突破。
在这个领域我们中国人也做出了卓越贡献，尤其是清华大学的薛其坤院士带领的团队首次观测到量子反常霍尔效应并将成果发表在《Science》上。
这一成果更是被杨振宁先生称为“诺贝尔奖级的成果”。
本文以量子霍尔效应为始，介绍了现阶段在量子霍尔效应及反常霍尔效应上已经取得的成果并对其机理进行了简要概述，分析了其发展前景及主要问题。
2量子霍尔效应根据经典电磁理论，运动的电子在磁场中受到洛伦兹力作用，因此当在一块金属导体施加垂直于电流方向的磁场时，会在第三个方向出现累计电荷因而产生电压。
这就是经典的霍尔效应。
同样在半导体中，由载流子（电子和空穴）堆积依然可形成类似的偏转电场，在这里我们不再赘述。
在经典理论里，霍尔电压正比于磁感应强度B与电流I，即霍尔电压满足，其系数，该比例系数被称为霍尔系数。
霍尔系数具有与电阻相同的量纲，反应了在相同条件下不同材料产生霍尔电压大小的能力，由材料的物理特性决定，与材料中载流子密度n成反比。
量子霍尔效应的发现及进展
毕业论文题目量子霍尔效应的发现及进展学生姓名唐紫汉学号 1110014055 所在学院物理与电信工程学院专业班级物理学1102班指导教师王剑华完成地点陕西理工学院2015年 6月5日量子霍尔效应的发现及进展唐紫汉（陕理工物理与电信工程学院物理学专业1102班，陕西 汉中 723001）指导教师：王剑华[摘要]量子霍尔效应一直是科学家们热衷于研究的课题，它的发现及研究进展是凝聚态物理研究中最重大的成就之一。
这一领域的研究成果曾两次获得诺贝尔物理学奖，引起了科学界的极大反响。
本文对整数、分数、反常量子霍尔效应等量子霍尔效应家族进行回顾和总结，扼要地介绍它们的发现、发展历程以及应用情况和研究进展，全面系统地展现量子霍尔效应的精彩图像。
[关键词]霍尔效应；量子霍尔效应；量子反常霍尔效应引言量子霍尔效应作为过去二十多年中，凝聚态物理领域内最为重要的研究成果之一，人们对它的探索显然不是十分顺利的。
距霍尔效应被发现，过去了约100年后，德国物理学家冯·克利青(Klaus von Klitzing )终于在这一领域有了突破性的研究进展。
他在研究强磁场和极低温中的半导体时，发现了这一量子现象，作为当时最令人惊异的凝聚态物理学领域成果之一，冯·克利青因此被授予了1985年的诺贝尔物理学奖[1]。
1982年，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui )同物理学家劳克林(Robert ughlin )、施特默(Horst L.Strmer )合作，通过在实验中施加更强的磁场，进而发现了分数量子霍尔效应[1]，这一发现让人们更加清晰的认识了量子现象，他们也因为这项工作而获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
由于这一领域曾两度被授予诺贝尔奖，而使得人们对它产生了极大的兴趣，许多科学家投身于此项研究。
2006年，斯坦福大学张首晟教授与其所领导的团队，预测了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出，可以尝试在磁性掺杂的拓扑绝缘体的基础上，来实现量子反常霍尔效应[2]。
霍尔效应发展史
霍尔效应发展史霍尔效应，这可真是物理学领域里的一颗璀璨明珠啊！话说很久很久以前，那还是1879 年，有个叫埃德温·霍尔的美国人，在研究金属的导电机制时，偶然间发现了一个神奇的现象。
这就好比你在森林里漫步，无意间发现了一朵从未见过的奇异花朵，霍尔发现的这个现象就是后来大名鼎鼎的霍尔效应。
当时的科学研究可不像现在这么先进，各种仪器设备也没这么精密。
但霍尔就是凭借着自己的敏锐观察力和坚持不懈的探索精神，愣是揭开了这个神秘现象的一角。
你说这得需要多大的勇气和毅力？在霍尔之前，谁能想到通过在电流垂直方向加上磁场，就能产生一个横向的电压呢？这就好像在一个平静的池塘里，突然有一股神秘的力量让水朝着一个意想不到的方向流动起来。
霍尔效应刚被发现的时候，并没有引起太大的轰动。
为啥？因为当时的人们对它的应用还不太清楚，就像你手里有一块宝贝，却不知道它能用来干什么。
但随着时间的推移，科学技术不断发展，人们对霍尔效应的认识也越来越深入。
这不就跟你慢慢了解一个新朋友，发现他身上越来越多的优点一样嘛。
到了20 世纪，霍尔效应开始在各种领域大显身手。
在电子学领域，它成了测量磁场强度的重要工具。
想象一下，如果你想知道一个地方的磁场有多强，以前可能得费好大的劲儿，现在有了霍尔效应，就轻松多啦！在半导体行业，霍尔效应更是立下了汗马功劳。
半导体材料中的霍尔效应，就像是一个神秘的密码，帮助科学家们打开了一扇扇通往新技术的大门。
如今，霍尔效应已经无处不在啦！从智能手机里的传感器，到汽车上的各种控制系统，再到航空航天领域的精密仪器，哪里都有它的身影。
这不就跟一颗小小的种子，经过多年的培育，长成了参天大树，为人们遮风挡雨一样吗？你说霍尔当初发现这个效应的时候，能想到它会有如此广泛的应用吗？我看未必。
但正是无数像霍尔这样的科学家，凭借着对未知的好奇和探索，才让我们的生活变得越来越美好。
所以啊，霍尔效应的发展历程告诉我们，科学的道路上充满了惊喜和未知，只要我们保持探索的热情，谁知道下一个改变世界的发现会在哪里呢？。
量子霍尔效应发展电导新范例
量子霍尔效应发展电导新范例引言：量子霍尔效应是二十世纪八十年代在固体物理领域取得的重要突破，它开创了新的电子传导现象的研究领域。
量子霍尔效应被广泛应用于微电子学、纳米电子学和量子计算等领域，为新一代电子器件的发展提供了理论基础。
本文将讨论量子霍尔效应的基本原理、发展历程以及其在电导方面带来的新范例。
1. 量子霍尔效应的基本原理量子霍尔效应是指在二维电子系统中在强磁场的作用下，电导会产生严格的量子化，即电导只能取一系列固定值，而不会连续变化。
这一现象的基本原理可以通过洛伦兹力理论解释：在强磁场作用下，电子在垂直方向上受到的洛伦兹力会使得电子轨道曲线发生明显弯曲，从而导致了二维电子系统的能带结构的变化。
2. 量子霍尔效应的历史发展量子霍尔效应的发现可以追溯到1980年代初期。
1980年，德国物理学家冯·克拉茨和他的研究小组在对氮化镓材料的电导性质进行研究时意外发现了量子霍尔效应。
随后的几年里，美国贝尔实验室的克里斯托弗·劳顿等研究团队也相继发现了量子霍尔效应。
这些发现引起了广泛的关注，并为进一步研究和理解量子霍尔效应的物理机制奠定了基础。
3. 量子霍尔效应在电导中的新范例量子霍尔效应在电导方面为研究者们带来了许多新的范例，下面列举几个主要应用领域：3.1 纳米器件量子霍尔效应在纳米器件中的应用前景广阔。
通过合理设计纳米结构，可以实现电导的精确调控。
例如，在纳米导线中引入量子霍尔态可以提高电子传输的准确度和稳定性，为纳米电子学提供了新的发展方向。
3.2 量子计算量子霍尔效应为量子计算领域提供了重要的基础。
由于量子霍尔效应的电导量子化特性，可以将其应用于量子比特的实现，从而推动量子计算的发展。
这一应用有望在未来的量子计算机设计中发挥重要作用。
3.3 超导材料近年来，研究人员发现一些超导材料中存在量子霍尔态。
这种新颖的量子态为超导材料的优化设计和性能改进提供了新思路。
通过深入研究量子霍尔态与超导态的相互作用机制，可以为超导材料的应用拓展开辟新的途径。
霍尔效应的发展及应用
霍尔效应的发展及应用嘿，朋友！你知道霍尔效应吗？这可真是个神奇又有趣的东西。
话说很久很久以前，在 1879 年的时候，有个叫霍尔的美国人发现了这个奇妙的现象。
就好像你在黑暗中突然找到了一把钥匙，霍尔发现了这把开启科学新大门的钥匙。
霍尔效应到底是啥呢？简单来说，就是当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。
这是不是有点难懂？咱打个比方，电流就像是一群急匆匆赶路的小人儿，磁场呢，就像是一道道栅栏。
当这些小人儿不得不沿着栅栏的方向前进时，就会在两边产生一些奇妙的“压力差”，这就是电势差啦。
霍尔效应的发现，可不是一蹴而就的。
它就像是一颗种子，在岁月的土壤里慢慢发芽、成长。
刚开始，大家只是觉得新奇，可随着时间的推移，科学家们不断地研究、探索，让这颗种子长成了参天大树。
那霍尔效应有啥用呢？用处可多啦！在测量领域，它就像是一个精准的尺子。
比如说，测量磁场强度，以前可能是瞎蒙乱猜，现在有了霍尔效应，那可就准得不得了，就像射击比赛中一下子击中了十环！在传感器方面，霍尔效应也是大显身手。
汽车上的速度传感器、位置传感器，很多都用到了霍尔效应。
你想想，要是没有它，汽车的运行状态咋能被精准地掌握？那不是像盲人摸象，啥都搞不清楚嘛！还有在电子设备中，霍尔效应也功不可没。
手机、电脑，这些我们天天离不开的东西，里面的很多零部件都依赖于霍尔效应才能正常工作。
它就像是一个默默无闻的幕后英雄，虽然我们看不到它，但却时刻在为我们服务。
霍尔效应的发展，也是一路充满了挑战和惊喜。
有时候，科学家们会遇到难题，就好像爬山时遇到了陡峭的悬崖，差点就想放弃。
但他们咬咬牙，坚持下去，终于找到了新的突破。
未来，霍尔效应还会给我们带来更多的惊喜吗？那是肯定的呀！就像我们不知道明天会发生什么美好的事情一样，霍尔效应的未来充满了无限可能。
也许会有更精确的测量方法，也许会有更神奇的应用出现。
总之，霍尔效应从被发现到如今广泛的应用，经历了漫长而精彩的旅程。
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31999-12-08收到初稿,2000-01-20修回量子霍尔效应的发展历程3韩燕丽刘树勇(首都师范大学物理系北京100037摘要量子霍尔效应的发现是新兴的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奖,引起了人们很大的兴趣.文章介绍了量子霍尔效应发展的历程.主要内容包括1897年霍尔发现霍尔效应、1980年K laus von K litzing 发现整数量子霍尔效应、1982年崔琦和Horst L.Stormer 发现分数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验验证等过程.关键词量子霍尔效应,准粒子,激发THE QUANTUM HALL EFFECTHAN Yan 2Li L IU Shu 2Y ong(Depart ment of Physics ,Capital Normal U niversity ,Beijing 100037Abstract The discovery of the quantum Hall effect was great event in the development of low 2dimension con 2densed matter physics.The discovery of the fractional quantum Hall effect has opened a new era of research into poly 2body phenomena and will affect many branches of physics.Two Nobel prizes have been awarded in this field ,which has aroused the interest of many people.The discovery of the Hall effect by Edwin Hall in 1897,the quan 2tum Hall effect by K laus von K litzing in 1980,the fractional quantum Hall effect by Danial Chee Tusi and Horst L.Stormer ,and the experimental verification of the fractional quantum Hall effect are reviewed.K ey w ords quantum Hall effect ,quasi 2particle ,excitation量子霍尔效应的发现是新兴的低维凝聚态物理中的一个重大事件.在人工微结构材料之中,例如场效应中的反型层、半导体异质结等,薄层内电子被势垒限制在二维方向上运动,构成量子阱中的二维电子气.在二维电子气中发现了一系列特殊的性质,其中最重要的是量子霍尔效应,这也是国际学术界的研究热潮所在.我们在这篇文章中回顾一下它的发展历程.1897年,24岁的霍尔(Edwin Herbert Hall ,1855—1938是马里兰的约翰斯Hopking 大学的一名研究生.当时,还没有发现电子,也没有人知道金属中导电的机理.霍尔注意到著名的英国物理学家麦克斯韦和瑞典物理学家埃德隆(Erik Edlund 在一个问题上的分岐,在罗兰(H.A.Rowland 教授的支持下,他做了实验来验证磁场到底对导线中的电流有没有影响.他的实验是在室温和一般磁场的条件下做的,他发现了霍尔效应.当电流通过一个放在与电流方向垂直的磁场中的导体薄膜时,在电流和磁场方向的垂直方向上出现一个电压———霍尔电压,这个霍尔电压正比于磁场的强度.霍尔效应提供了一个简单的办法在实验中去测量各种材料中电荷载流子的密度.霍尔的发现在当时震动了科学界,许多科学家转向了这一领域.不久,就发现了埃廷斯豪森(Ettingshausen 效应、能斯特(Nernst 效应、里吉-勒迪克(Righi -Leduc 效应和不等位电势差等四个伴生效应.后来,人们在半导体材料中也发现了霍尔效应,因此,霍尔效应也成为测量半导体是电子型还是空穴型的标准办法.我们现在所称的整数量子霍尔效应(IQ HE 是1980年由K laus von K litzing 等人从金属-氧化物-半导体场效应晶体管的氧化物表面上发现的.1985年的诺贝尔物理奖也因这个发现而授予K laus von K litzing.1974年,Tsuheya Ando 和Englert 等人就从理论上提出:对于二维电子气,当其费米能级处于朗道能级之间时,在所对应的栅极电压的某一范围内,样品的电阻水平分量可以为零,霍尔电阻可以出现台阶现象.K laus von K litzing 和他的同伴根据・994・29卷(2000年8期这个思想开展霍尔效应的工作,他们研究场效应管的半导体氧化物界面上二维电子气在低温(约几K和强磁场(大于10T下的物理性质,发现,霍尔电阻的线形规律被打破了,电阻出现阶梯状的增长,电阻值非常接近于h/e2f,f在这儿称做填充因子,f 是一个整数,e是一个电子的电荷,h是普朗克恒量,f 由电子的密度和磁通密度来决定.整数量子霍尔效应的事实十分令人意外,但它与载流子在二维电子态中的分布有关,这是确定无疑的.紧接着,1981年,美国贝尔实验室的崔琦等改用调制掺杂的GaAs2Al013G a017As异质结量子阱,很快就实现了von K litzing实验的翻版,得到了更完美的曲线,支持了von K litzing的实验结果.这两个实验在半导体电子本性的历史上具有重要的意义.为了解释这一点,在IQ HE方面,曾有过好几个有影响的结果,较为让人接受的是Robert ughlin(那时在劳伦斯利弗莫尔国家实验室,现在是斯坦福大学的教授在1981年提出的模型.整数量子霍尔效应实验测量的精确度达10-9量级,所以1990年后,国际绝对电阻标准改为由整数量子霍尔效应来定义.另外,我们还可以据此来测定量子电动力学中具有特别重要意义的精细结构常数e2/h=258128.量子霍尔效应的另一个重要的进展是崔琦(Daniel Chee Tsui,当时在普林斯顿大学和Horst L.Stormer(在贝尔实验室工作了20年后1998年进入哥伦比亚大学发现了分数量子霍尔效应.这一发现使得崔琦和Horst L.Stormer以及后来对这一现象做出解释的Robert ughlin获得了1998年的诺贝尔物理奖.1982年,崔琦在新泽西的默里山的贝尔实验室用半导体G aAs做量子霍尔效应的实验,他用了更低的温度和更强的磁场.他们建立了一个独立的实验环境,用一个量子阱去限制电子成为二维电子气:这是将两种不同的半导体材料夹在一起,一面是G aAs,另一面是G aAlAs,这样电子被限制在两种材料的接触面上.下一步,研究人员将电子阱的温度降至绝对温度的011度,磁场加到几乎30T(是地球磁场的100万倍,使他们惊奇的是,崔琦和Horst L.Stormer发现霍尔电阻下一级台阶是von K litzing的最高记录的3倍.后来,崔琦和Stormer又发现了更多的台阶,即量子霍尔效应平台不仅在f为整数时被观察到,而且也出现在f为一些具有奇分母的分数的情况下,如f=1/3、2/5等等,因此称为分数量子霍尔效应(FQ HE.崔琦1939年生于中国的河南,1958年到美国伊诺斯州的Augustana学院学习,于1961年毕业,并获得了Phi Beta Kappa荣誉.1967年,获得芝加哥大学博士学位,并留校做博士后,一年后,他进入贝尔实验室.崔琦1982年成为普林斯顿的教职员,并被选为国家科学院的成员,同时也成为美国科学发展组织的成员、美国物理学会成员,1984年获得美国物理学会的Oliver Buckley凝聚态物质物理奖, 1997年他又获得Benjamin Franklin物理奖章.崔琦现在在普林斯顿和他的妻子生活在一起,他是普林斯顿第29个诺贝尔奖获得者,第18个诺贝尔物理奖获得者.FQ HE这一新的实验给理论物理学家带来了难题,它不能用当时的理论来解释.整数量子霍尔效应展现给人们一个全新的宏观量子现象,不过它的理论解释可以纳入已成熟的固体理论.然而对于分数量子霍尔效应,则必须考虑电子间的相互作用.否则,电子都处于最低的朗道能级,具有相同的能量,不可能发生FQ HE,因此FQ HE是一种低维电子系统的强关联效应.除了一维系统外,要想严格求解这种系统是很难的,比较可行的办法是设法找到系统的基态波函数,然后研究在此基础上的低能激发. Robert ughlin1983年对自己的模型作了修正,以后他又发展了FQ HE的理论解释.Laughlin对于FQ HE的重要贡献在于他发现了f=1/m分数量子霍尔系统的与严格基态波函数非常接近的近似基态波函数,并从多电子系统基态波函数一般物理要求出发,写下了基态波函数的形式.这个函数被称为Laughlin波函数.Laughlin得到这种波函数是受到4He理论的启发,也涉及相关的多粒子的波函数(Jastrow波函数.在用波函数计算他提出的基态的能量时,Laughlin又引入等离子态的类比,他发现FQ HE的电子间的相互作用类似于一种经典粒子的等离子态与对数势间的相互作用.支持Laughlin的Duncan Haldam和他的同伴作了准确的计算. Laughlin认为当元素从基态激发时,会产生涡列,像我们从系统里拿走一个整数电荷,会留下m个漩涡的准料子,且每一个准粒子携有整数电荷的1/m. f=1/m的量子态代表多电子基态,电子的位置是不固定的,这种量子态是一种新的量子流体,这种量子流体就叫做量子霍尔液体,是一种不可压缩的流体.电子间的库仑相互作用为这种不可压缩性提供能隙.对FQ HE的验证是验证:(1在激发谱线中存在能隙;(2能获得带有分数电荷的准粒子.对于准・5・物理粒子的激发,能隙Δ的值能从欧姆电阻对温度的依赖性中获得.以下几个小组做了早期的实验:日本的Hiroyaki Sakaki小组、德国的K laus von K litzing小组和贝尔实验室小组.他们的实验结果只和理论有定性的相似,这是因为样品不是足够的纯,不规则性会阻碍FQ HE的产生.1989年,贝尔实验室的R.L. Willett,J.H.English和Stormer、崔琦、A.C.G ossard 合作,成功地得到了好的样品,并测得Δ的实验值.除准粒子激发外,新的量子流体在密度涨落的形式下还存在集体激发.印第安纳大学的Steven G irvin、Allan MacDonald和贝尔实验室的Philip Platzman 通过和Feynman 的超流He理论的类比,发展了这种集体激发的理论.这个理论以Laughlin的基态描述为基础,预言了在激发谱中有一个有限的能隙.这个能隙的值在1993年被Aron Dinczuk和他在贝尔实验室的同事们测量到.根据理论,随着m的增加量的减少,能隙将消失在m=7或9处,电子实产生,这种相变在实验中被观测到.FQ HE第二个验证被三个小组用两种方法获得成功:纽约州立大学的Vladimir G oldman,B.Su在1995年通过测量谐振的隧道流的方法得到了带有1/3电荷的准粒子;以色列韦茨曼科学研究所的Mordehai Heiblum和法国原子能委员会的Christian G lattli两个小组在1997年通过测量隧道流的散粒效应也获得了成功.在很多情况下,对FQ HE的理解采用另一种不耗散的超流体作类比,例如Helium,这是一种由玻色子组成的液体,并通过玻色-爱因斯坦凝聚成为一种肉眼可见的超流液体,而电子和准粒子在FQ HE中是费米子.Laughlin认为,这是因为极强的外磁场强迫奇数个单位磁通量子与电子复合成为玻色子,复合玻色子在接近零度时发生玻色-爱因斯坦凝聚,形成量子霍尔液体.由于复合玻色子由电子和磁通组成,这种量子的准粒子激发就具有很奇特的性质.Laughlin指出这种准粒子带有分数个电子电荷,满足分数统计.后来,人们又发展了从费米-狄拉克到玻色-爱因斯坦统计的二元性玻色子(bo2 son图景,FQ HE的理论被G irvin和MacDonald公式化.在这个二元性图景中,人们对Laughlin的波函数和对FQ HE有了一个很好的了解,在某种意义上说,已经抓住了物理的本质.FQ HE无论在实验上还是在理论上在今天都是很活跃的领域.1989年,人们又发现了“偶分母”的量子霍尔效应,这进一步说明电子在强磁场中的丰富的物理效应.最近几年里,人们新的兴趣集中在分数量子霍尔器件上,接着电子在量子霍尔磁场中的自旋又成为研究领域的主题.分数量子霍尔效应开创一个新的研究多体现象的新时代,将影响到物理的很多分支.分数量子霍尔效应的发现和Laughlin 波函数的提出开创了凝聚态物理强相关系统研究的一个崭新领域在以后的年代里,一个个激动人心的新实验发现和理论进展不仅把FQ HE的研究发展成为凝聚态物理的主流领域,而且也对现代物理许多分支中的新理论发展起了借鉴作用.参考文献[1]Daviss B.New Scientist,1998,31:36[2]Anderson P W.Phys.Today,1997(10:42[3]MacDonald A H.Science,1995,17:977[4]K ivelson S,Lee D H,Zhang S C.Scientific American,1996,3:64[5]中国科学院.科学发展报告.北京:科学出版社,1999.52[CAS.Reports of the Progresses in Science.Beijing:SciencePress,1999.52(in Chinese][6]Tusi D C,Stormer H L,G ossard A C.Phys.Rev.Lett.,1982,48:1559[7]Von K litzing K,Dorda G,Popper M.Phys.Rev.Lett.,1980, 45:494[8]Laughlin R B.Phys.Rev.Lett.,1983,50:1395・15・29卷(2000年8期。