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mardi 4 février 2014

Quel est l'effet Hall quantique?

L'effet Hall quantique est une théorie bien acceptée dans la physique décrivant le comportement des électrons dans un champ magnétique à des températures extrêmement basses. Observations de l'effet corroborent clairement la théorie de la mécanique quantique dans son ensemble. Les résultats sont si précis que la norme pour la mesure de la résistance électrique utilise l'effet Hall quantique, qui sous-tend également le travail effectué sur les supraconducteurs.

L'effet Hall, découvert par Edwin Hall en 1879, on observe quand un courant électrique passe à travers un conducteur placé dans un champ magnétique. Des porteurs de charge, qui sont généralement des électrons, mais peuvent être des protons, disperser vers le côté du conducteur due à l'influence du champ magnétique. Le phénomène peut être visualisé comme une série de voitures poussé de côté en raison d'un vent fort en descendant une route. Les voitures prennent une trajectoire courbe qui tente de faire avancer, mais sont obligés de côté.

Une différence de potentiel entre les côtés du conducteur se développe. La différence de tension est très faible et est fonction de la composition du conducteur. L'amplification du signal est nécessaire pour fabriquer des instruments utiles sur la base de l'effet Hall. Ce déséquilibre de potentiel électrique est le principe derrière une sonde à effet Hall qui mesure les champs magnétiques.

Avec la popularité des semi-conducteurs, les physiciens se sont intéressés à l'examen de l'effet Hall dans des feuilles si minces, les porteurs de charge ont été essentiellement limités à un mouvement en deux dimensions. Ils appliquaient les feuilles conductrices sous des champs magnétiques puissants et des températures basses. Au lieu de voir les électrons arrachés latéralement dans des chemins continus courbes, les électrons ont fait des sauts soudains. Il y avait des pics bien définis dans la résistance à l'écoulement à des niveaux d'énergie spécifiques que l'intensité du champ magnétique a été changée. Entre les deux pics, la résistance a chuté à une valeur proche de zéro, une caractéristique des supraconducteurs à basse température.

Les physiciens ont aussi réalisé que le niveau nécessaire pour provoquer une hausse de la résistance de l'énergie n'était pas une fonction de la composition du conducteur. Les pics de résistance se sont produits à des multiples entiers de l'autre. Ces pics sont si prévisibles et cohérent que les instruments basés sur l'effet Hall quantique peuvent être utilisés pour créer des normes de résistance. Ces normes sont essentielles pour tester l'électronique et de garantir des performances fiables.

La théorie quantique de la structure atomique, qui est le concept que l'énergie est disponible en paquets entiers, discrètes au niveau subatomique, avait prédit l'effet Hall quantique dès 1975. En 1980, Klaus von Klitzing a reçu le prix Nobel de physique pour sa découverte que l'effet Hall quantique était en effet exactement discret, ce qui signifie que les électrons peuvent exister que dans des niveaux nettement définis d'énergie. L'effet Hall quantique est devenu un autre argument en faveur de la nature quantique de la matière.