Bruchteiliger Quanten-Hall-Effekt. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Über den Hall-Effekt ist viel geschrieben worden, dieser Effekt wird in der Technik intensiv genutzt, aber Wissenschaftler erforschen ihn weiterhin. 1980 untersuchte der deutsche Physiker Klaus von Klitzung die Wirkungsweise des Hall-Effekts bei extrem niedrigen Temperaturen. In einer dünnen Halbleiterplatte änderte von Klitzung die Stärke des Magnetfelds sanft und stellte fest, dass sich der Hall-Widerstand nicht sanft ändert, sondern springt. Die Größe des Sprungs hing nicht von den Eigenschaften des Materials ab, sondern war eine Kombination grundlegender physikalischer Konstanten dividiert durch eine konstante Zahl. Es stellte sich heraus, dass die Gesetze der Quantenmechanik die Natur des Hall-Effekts irgendwie veränderten. Dieses Phänomen wird als integraler Quanten-Hall-Effekt bezeichnet. Für diese Entdeckung erhielt von Klitzung 1985 den Nobelpreis für Physik.

Zwei Jahre nach von Klitzungs Entdeckung im Labor von Bell Telephone (dem gleichen, in dem der Transistor entdeckt wurde) untersuchten Stormer und Tsui den Quanten-Hall-Effekt anhand einer außergewöhnlich reinen, großen Probe Galliumarsenid, die im selben Labor hergestellt wurde. Die Probe hatte einen so hohen Reinheitsgrad, dass die Elektronen von einem Ende zum anderen gingen, ohne auf Hindernisse zu stoßen. Das Experiment von Stormer und Tsui fand bei einer viel niedrigeren Temperatur (fast dem absoluten Nullpunkt) und mit stärkeren Magnetfeldern statt als das Experiment von Klitzung (eine Million Mal stärker als das Erdmagnetfeld).

Zu ihrer großen Überraschung stellten Stormer und Tsui fest, dass Halls Widerstand dreimal so stark anstieg wie von Klitzung. Dann fanden sie noch größere Sprünge. Es wurde die gleiche Kombination physikalischer Konstanten erhalten, jedoch nicht durch eine ganze Zahl, sondern durch eine Bruchzahl geteilt. Die Ladung eines Elektrons wird von Physikern als eine Konstante betrachtet, die nicht durch Teile teilbar ist. Und an diesem Experiment waren sozusagen Teilchen mit Teilladungen beteiligt. Der Effekt wurde als fraktionierter Quanten-Hall-Effekt bezeichnet.

Ein Jahr nach dieser Entdeckung lieferte Laughlin, ein Labormitarbeiter, eine theoretische Erklärung des Effekts. Er erklärte, dass die Kombination aus extrem niedriger Temperatur und einem starken Magnetfeld dazu führt, dass die Elektronen eine inkompressible Quantenflüssigkeit bilden. Die Abbildung zeigt mithilfe einer Computergrafik den Fluss von Elektronen (Kugeln), die die Ebene durchdringen. Die Unregelmäßigkeiten der Ebene stellen die Verteilung der Ladung eines der Elektronen in Gegenwart eines Magnetfelds und der Ladung anderer Elektronen dar.

Wenn einer Quantenflüssigkeit ein Elektron hinzugefügt wird, entsteht eine bestimmte Menge an Quasiteilchen mit einer Teilladung (in der Abbildung ist dies als Pfeilpaar für jedes Elektron dargestellt).

1998 erhielten Horst Stormer, Daniel Tsui und Robert Laughlin den Nobelpreis für Physik. Derzeit ist H. Stormer Professor für Physik an der Columbia University, D. Tsui Professor an der Princeton University und R. Laughlin Professor an der Stanford University.

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