霍尔传感器与国内霍尔效应的前沿研究与进展

霍尔效应由美国物理学家E.霍尔发现,霍尔效应是电信号与磁信号的桥梁,任何电信号转换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。在日常生活中,我们可以将霍尔传感器元件放在汽车中,用于测量发动机的转速,或将霍尔传感器元件放在电动自行车中做成转把。

  我们知道,霍尔传感器因低成本、低功耗、占地面积小、距离感应等诸多优点,被应用于电机旋转编码计数、开关位置检测等多个领域的应用中。今天,传感器专家网小编来为您介绍一下霍尔传感器背后的霍尔效应的原理,以及霍尔效应最前沿的量子霍尔效应的相关研究与进展。

霍尔效应示意图

霍尔效应示意图

  霍尔传感器与霍尔效应

  霍尔效应是电信号与磁信号的桥梁,任何电信号转换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。在日常生活中,我们可以将霍尔传感器元件放在汽车中,用于测量发动机的转速,车轮的转速及方向位移,或将霍尔传感器元件放在电动自行车中,可做成控制电动车行进速度的转把。

  霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中发现,以其人名命名并流传于世。其核心理论就是,带电粒子,如电子在磁场中运动时,会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么,在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

  量子霍尔效应

  量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但是三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地,直到2018年12月,我国复旦大学物理学系修发贤课题组才公布,人类首次观测到三维量子霍尔效应。近日,中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示,他们通过实验验证了三维量子霍尔效应,并发现了金属-绝缘体的转换。

  之前,科学家对于量子霍尔效应的研究仅仅停留于二维体系,而对于三维体系也只有无尽的猜测。修发贤团队发现了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。此次,中国科技大学的合作研究团队紧随其后,进一步证实了三维量子霍尔效应并验证了显著的拓扑绝缘体现象。

霍尔传感器与国内霍尔效应的前沿研究与进展

修发贤(白色衬衣)课题组,资料图

  量子霍尔效应停留在二维空间

  在霍尔效应发现100年后的1980年,德国青年教师克劳斯·冯·克利青通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应,将霍尔效应带到了量子的领域。

  冯·克利青发现,量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说,导体中间的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。因为这些发现,他在1985年获得诺贝尔物理学奖。

  虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客,但相关研究仅限于二维量子系统中。毕竟我们生活在三维空间中,如果延伸到三维系统中,量子霍尔效应会有怎样的不同?

霍尔传感器与国内霍尔效应的前沿研究与进展

砷化镉的3D模型,资料图

  另辟蹊径验证三维量子霍尔效应

  之前,实现三维量子霍尔效应的思路,主要将二维量子系统进行堆叠。但这样得到的只是准二维量子霍尔效应,并没有观测到明显的量子霍尔电阻以及电子在空间的震荡。

  我国科学家另辟蹊径,选择了不一样的材料。修发贤课题组选择的是砷化镉楔形纳米结构,中国科技大学团队选择的是碲化锆三维晶体。这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构,已有科学家在其中观测到与二维量子霍尔效应类似的现象,即其一个方向的电阻呈现台阶式变化,另一个方向的电阻呈现震荡。而我们分别在世界上首次实现对三维量子霍尔效应的观测和验证。

三维量子霍尔效应效果示意图

三维量子霍尔效应效果示意图,资料图

  在这次研究中,中国科技大学团队还将材料的导电特性进行了“大扫描”,得出了金属-绝缘体的转换规律:人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和响应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性,还能应用于特殊的载流子传输系统。

  以上便是传感器专家网为您介绍的霍尔传感器和量子霍尔效应的相关知识了,未来,随着三维量子霍尔效应研究的进一步进展,在电子元器件领域,相信霍尔效应会有更大的技术应用突破,传感器专家网将与您一道拭目以待。

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