霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)使用左手定則判斷。 

發(fā)現(xiàn)：

霍爾效應(yīng) 在1879年被物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)完全不同。當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的作用力，從而在垂直于導(dǎo)體與磁感線的兩個(gè)方向上產(chǎn)生電勢(shì)差。 

雖然這個(gè)效應(yīng)多年前就已經(jīng)被人們知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進(jìn)展前并不實(shí)用，直到出現(xiàn)了高強(qiáng)度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)和配置的不同，霍爾效應(yīng)傳感器可以作為開(kāi)/關(guān)傳感器或者線性傳感器，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。 

解釋：

在半導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)力與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，此時(shí)電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子和空穴受到電場(chǎng)力的作用而平衡掉磁場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子和空穴能順利通過(guò)不會(huì)偏移，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。  

方便起見(jiàn)，假設(shè)導(dǎo)體為一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度分別為a、b、d，磁場(chǎng)垂直ab平面。電流經(jīng)過(guò)ad，電流I = nqv(ad)，n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場(chǎng)為VH / a。設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。   

洛倫茲力

F=qE+qvB/c(Gauss 單位制)

電荷在橫向受力為零時(shí)不再發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場(chǎng)作用下在器件的兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號(hào)電荷堆積從而形成橫向霍爾電場(chǎng)

由實(shí)驗(yàn)可測(cè)出 E= UH/W 定義霍爾電阻為

RH= UH/I =EW/jW= E/j

j = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)

UH=RH I= -B I /(q n c)

本質(zhì)：

固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，*終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。 正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過(guò)程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。

應(yīng)用：

霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)位于磁場(chǎng)(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電流(Iv)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。 好比一條路， 本來(lái)大家是均勻的分布在路面上, 往前移動(dòng)。當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)， 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走。故路 (導(dǎo)體) 的兩側(cè)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差。這個(gè)就叫“霍爾效應(yīng)”。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場(chǎng)為工作媒體，將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開(kāi)關(guān)的功能。

迄今為止，已在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車(chē)速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開(kāi)關(guān)，等等。

例如汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器，用作點(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場(chǎng)在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級(jí)電流。相對(duì)于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無(wú)磨損免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精*地控制點(diǎn)火正時(shí)，能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

用作汽車(chē)開(kāi)關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道，轎車(chē)的自動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車(chē)上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。采用功率霍爾開(kāi)關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。

霍爾器件通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車(chē)各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。如今的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng)，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應(yīng)汽車(chē)的惡劣工作環(huán)境。

發(fā)展：

在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后，德國(guó)物理學(xué)家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)中的半導(dǎo)體時(shí)發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)令人驚異的進(jìn)展之一，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 之后，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美國(guó)物理學(xué)家勞克林(Robert B.Laughlin，1950-)、施特默(Horst L. St?rmer，1949-)在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)量子現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步，他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如今，復(fù)旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開(kāi)展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究。“量子自旋霍爾效應(yīng)”*先由張首晟教授預(yù)言，之后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這一成果是美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2007年十大科學(xué)進(jìn)展之一。如果這一效應(yīng)在室溫下工作，它可能導(dǎo)致新的低功率的“自旋電子學(xué)”計(jì)算設(shè)備的產(chǎn)生。 工業(yè)上應(yīng)用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，誤差精度能達(dá)到0.1%以下。

由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得重大突破，他們從實(shí)驗(yàn)中首*觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，這是中國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，也是物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

相關(guān)效應(yīng)：

1、量子霍爾效應(yīng)：1.1整數(shù)量子霍爾效應(yīng)：量子化電導(dǎo)e²/h被觀測(cè)到，為彈道輸運(yùn)（ballistic transport）這一重要概念提供了實(shí)驗(yàn)支持。1.2分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：羅伯特·勞克林與J·K·珍解釋了它的起源。兩人的工作揭示了渦旋（vortex）和準(zhǔn)粒子（quasi-particle）在凝聚態(tài)物理學(xué)中的重要性。

2、熱霍爾效應(yīng)：垂直磁場(chǎng)的導(dǎo)體會(huì)有溫度差。

3、Corbino效應(yīng)：垂直磁場(chǎng)的薄圓碟會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓周方向的電流。

4、自旋霍爾效應(yīng)

5、量子反?；魻栃?yīng)

研究前景：

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的機(jī)制已經(jīng)基本清楚，而仍有一些科學(xué)家，如馮·克利青和紐約州立大學(xué)石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分?jǐn)?shù)量子效應(yīng)的研究。一些理論學(xué)家指出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的某些平臺(tái)可以構(gòu)成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓?fù)?/span>量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)與一般的量子霍爾行為大不相同，稱為異常量子霍爾效應(yīng)(Anomalous Quantum Hall Effect)。

此外，Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應(yīng)的概念,與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)正在吸引越來(lái)越多的關(guān)注。

中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)

《科學(xué)》雜志在線發(fā)文，宣布中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首*在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)?duì)信息技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響。

這一發(fā)現(xiàn)由清華大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤(原曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院教師）領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4年完成。在美國(guó)物理學(xué)家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后，終于實(shí)現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)的量子化，這一發(fā)現(xiàn)是相關(guān)領(lǐng)域的重大突破，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

美國(guó)科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年，美國(guó)科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

由中國(guó)科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)了“量子反常霍爾效應(yīng)”。這是國(guó)際上該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)突破，該物理效應(yīng)從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過(guò)程，都是由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。

量子霍爾效應(yīng)是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域*重要、*基本的量子效應(yīng)之一。它是一種典型的宏觀量子效應(yīng)，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個(gè)**體現(xiàn)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(Daniel CheeTsui)、美國(guó)物理學(xué)家施特默(Horst L. Stormer)等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國(guó)物理學(xué)家勞弗林(Rober B. Laughlin)給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反?；魻栃?yīng)”——不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。

“量子反?；魻栃?yīng)”是多年來(lái)該領(lǐng)域的一個(gè)非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng);同時(shí)它的實(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。1988年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來(lái)一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計(jì)上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的*佳體系[Science，329, 61(2010)]。他們的計(jì)算表明，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下，即處在“量子反?；魻栃?yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了國(guó)際上的廣泛興趣，許多世界**實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相投入到這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)，沿著這個(gè)思路尋找量子反?；魻栃?yīng)。

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)“量子反?；魻栃?yīng)”，對(duì)材料生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長(zhǎng)程有序;鐵磁交換作用必須足夠強(qiáng)以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟膸ЫY(jié)構(gòu);同時(shí)體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)，在這場(chǎng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中顯示了雄厚的實(shí)力。他們克服了薄膜生長(zhǎng)、磁性摻雜、門(mén)電壓控制、低溫輸運(yùn)測(cè)量等多道難關(guān)，一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功地觀測(cè)到了“量子反?；魻栃?yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同**作者單位。

該成果的獲得是我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期積累、協(xié)同**、集體攻關(guān)的一個(gè)成功典范。前期，團(tuán)隊(duì)成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過(guò)一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求*杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”、“求*杰出科技成就集體獎(jiǎng)”和“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)”、“陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和教育部等部門(mén)的資助。