Bruchteiliger Quanten-Hall-Effekt. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Strom für Anfänger
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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 ein deutscher Physiker
Klaus von Klitzung untersuchte den Hall-Effekt bei extrem niedrigen Temperaturen. In einer dünnen Halbleiterplatte änderte von Klitzung die Magnetfeldstärke sanft und entdeckte, dass sich der Hall-Widerstand nicht sanft, sondern abrupt änderte. 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 wurde als integraler Quanten-Hall-Effekt bezeichnet. Für diese Entdeckung erhielt von Klitzzung 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 einen Sprung im Hall-Widerstand fest, der dreimal größer war als der von Klitzung. Dann fanden sie noch größere Sprünge. Das Ergebnis war die gleiche Kombination physikalischer Konstanten, jedoch nicht durch eine ganze Zahl, sondern durch einen Bruch geteilt. Physiker betrachten die Ladung eines Elektrons als eine Konstante, die nicht in Teile zerlegt werden kann. Und bei diesem Experiment schien es sich um Teilchen mit Teilladungen zu handeln. Der Effekt wurde als fraktionierter Quanten-Hall-Effekt bezeichnet.
Ein Jahr nach dieser Entdeckung lieferte ein Mitglied des Laughlin-Labors eine theoretische Erklärung für den Effekt. Er erklärte, dass die Kombination aus extrem niedriger Temperatur und einem starken Magnetfeld dazu führt, dass Elektronen eine inkompressible Quantenflüssigkeit bilden.
Die Abbildung zeigt mithilfe einer Computergrafik einen Strom von Elektronen (Kugeln), der eine Ebene durchdringt. Die Rauheit der Ebene stellt die Verteilung der Ladung eines der Elektronen in Gegenwart eines Magnetfelds und der Ladung anderer Elektronen dar. Wird einer Quantenflüssigkeit ein Elektron hinzugefügt, so entsteht eine bestimmte Anzahl von Quasiteilchen mit einer Bruchteilsladung (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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