اثر هال با عدد کوانتومی کسری

اثر هال که سال‌هاست آن را می‌شناسیم، پدیده‌ای است که در آن بر اثر اِعمال میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم به رسانا، جریانی عمود بر هر دو میدان در آن القا می‌شود. نسبت جریان به اندازۀ میدان الکتریکی،
پنجشنبه، 2 شهريور 1396
تخمین زمان مطالعه:
پدیدآورنده: علی اکبر مظاهری
موارد بیشتر برای شما
اثر هال با عدد کوانتومی کسری
اثر هال که سال‌هاست آن را می‌شناسیم، پدیده‌ای است که در آن بر اثر اِعمال میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم به رسانا، جریانی عمود بر هر دو میدان در آن القا می‌شود. نسبت جریان به اندازۀ میدان الکتریکی، رسانایی هال خوانده می‌شود.
 
در مورد نیمه رساناها، اثر هال شکل جالبی به خود می‌گیرد. تحت برخی شرایط، لایۀ نازکی از الکترون‌های متحرک، موسوم به لایۀ وارون، در سطح نیمه رسانا وجود دارد. لایه می‌تواند حامل جریان در صفحه، سطح باشد و اگر میدان مغناطیسی عمود بر سطح اعمال شود، رسانایی هال را می‌توان مشاهده کرد. اگر میدان الکتریکی عمود بر سطح نیز اعمال شود تعداد الکترون‌های متحرک لایه تغییر می‌کند و این امر باعث تغییر رسانایی هال می‌شود.

در دماهای پایین و میدان‌های مغناطیسی زیاد رسانایی هال به صورت مضارب درستی از e^2/h کوانتیده است؛ e بار الکترون و h ثابت پلانک است. به عبارت دیگر، با تغییر تعداد الکترون‌ها در لایۀ وارون، رسانایی هال پله‌پله تغییر می‌کند (اثر هال کوانتیده) (1982).

آزمایش‌های جدید نشان می‌دهند که رسانایی هال می‌تواند به طور کسری تغییر کند. یعنی، مشاهده شده است که رسانایی علاوه بر مقادیر درست معمولی دارای مضارب ثلثی (یعنی 1/3 و 2/3) از نسبت e^2/h است، اثر هال با عدد کوانتومی کسری در دماهای زیر 2^°K کشف شده است (تسوین و دیگر 1982). این پدیده نمودی از حالت جدید ماده است‌ـ شارۀ کوانتومی دو بعدی از الکترون‌ها که برانگیختگی‌هایش شبه ذراتی با بار کسری هستند (لاولین و دیگر).

این اثر بدیع در نیمه رسانای جدیدی با ساختار پوسته‌ای موسوم به «پیوند تحریری آلاییده» تحقق یافته است (استورمر و دیگر ). ساختار که شامل بلور ارسنیدگالیوم با خلوص فوق‌العاده و بلور ارسنیدگالیوم آلومینیوم است به طور انتخابی با ناخالصی‌های بخشنده آلاییده شده است که با روش‌های بسیار پیشرفتۀ هم‌آرستی پرتو مولکولی (چو و دیگر 1975) ممزوج شده است. به سبب تفاوت انرژی ساختار نواریِ دو نیمه رسانا، الکترون‌هایی که ناخالصی‌های بخشندۀ موجود در بلور AlGaAs از دست می‌دهند، در بلور GaAs به سطح مشترک دو نیمه‌رسانا محدود می‌شوند. این الکترون‌ها به طور کوانتومی به سطح مشترک مُقید هستند و فقط در صفحۀ سطح مشترک آزادند. آن‌ها تا حد زیادی نظیر گاز الکترون دو بعدی کامل رفتار می‌کنند.

در حضور میدان مغناطیسی، رفتار گاز الکترون دو بعدی به طور چشم‌گیری با رفتار گاز معمولی تفاوت دارد زیرا الکترون‌ها متحمل نیروی لورنتس می‌شوند، نیرویی که تابشی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی چلیپایی است و در نتیجه الکترون‌ها در میدان مغناطیسی حرکت سیکلوترونی انجام می‌دهند. گاز الکترون دو بعدی با سیستم الکترونی سه بعدی نیز تفاوت دارد از این جهت که در سیستم سه بعدی الکترون‌ها آزادند در امتداد راستای میدان حرکت کنند و از این رو می‌توانند پیوستاری از حالت‌ها را اشغال کنند (یعنی حالت‌های انرژی آن‌ها پیوسته است). در گاز دو بعدی الکترون‌ها آزادی بُعد سوم را ندارند و انرژی «در صفحه» وابسته به حرکت سیکلوترونی کوانتیده است. در نتیجه انرژی‌های حالت‌های مجاز، یک رشته ترازهای منفصل، موسوم به ترازهای لاندا است که هر یک از ترازها به اندازۀ انرژی سیکلوترون الکترون از ترازهای مجاور فاصله دارد. این خصلت منحصر به ‌فرد ساختار انرژی مسئول بسیاری از خواص الکتریکی غیرعادی است که در سیستم‌های سه بعدی معمولی مشاهده نمی‌شود (آندو و دیگر ).

در این تصویر مستقل الکترونی دو اثر مهم سیستم‌های دو بعدی واقعی منظور نشده است. یکی اثر بی‌نظمی، نظیر کاستی‌های اندررخی و ناخالصی‌های اجتناب‌ناپذیر در بلورهای واقعی، و دیگری اثر برهم‌کنش‌های کولنی بین الکترون‌ها. اهمیت بی‌نظمی به روشنی تمام در اثر هال با عدد کوانتومی درست که سه سال قبل کشف شد نشان داده شده است (کلیزنیگ و دیگر ). رسانایی هال برای این مورد فلات‌های تختی را نمایش می‌دهد که به صورت مضارب درستی از e^2/h کوانتیده است. عدد کوانتوم درست با تعداد ترازهای کاملا پُر لاندائو مشخص می‌شود. پهنای فلات به تعداد حالت‌های جایگزیدۀ ناشی از بی‌نظمی مربوط است.

حال آن‌که، اثر هال با عدد کوانتومی کسری در سیستم‌هایی با فصل مشترک فوق‌العاده کامل و با کم‌ترین ناخالصی و در آن حد از میدان مغناطیسی که پایین‌ترین تراز لاندائو به طور کسری اشغال شده است، مشاهده می‌شود. رسانایی هال به صورت مضارب کسری از e^2/h کوانتیده‌اند، تا کنون فقط کسرهای فردی با مقادیر 1/3، 2/3، 4/3، 5/3، 2/5، 3/5، 4/5 و 2/7 مشاهده شده است (استورمر و دیگر 1983). در مورد کوانتیدگی‌های 1/3 و 2/3 نشان داده شده است که این کسرها با دقت بیش‌ از یک در ده هزار دقیقند. این مشاهده‌های تجربی چگالش گاز الکترون دو بعدی را در حالت جدیدی از ماده پیشنهاد می‌کند که به سبب برهم‌کنش کولنی بین الکترون‌ها اتفاق می‌افتد.

محاسبات نظری اخیر نشان داده‌اند که این حالت الکترونی جدید، برخلاف آن‌چه در ابتدا اظهار شده بود، یک «جامد» الکترون نیست. حالت پایه برای پُرشدگی‌های کسری پایین‌ترین تراز لاندائو، شاره کوانتومی تراکم‌ناپذیر است که از برانگیختگی‌های خود، که شبه ذراتی با بار کسری هستند، توسط گاف انرژی جدا شده است (لاؤلین ).
بیشتر بخوانید:
 

مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
تبلیغات در راسخون
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما
تحلیل ابعادی از روانشناسی زن در قرآن و روایات اهل بیت(ع)
تحلیل ابعادی از روانشناسی زن در قرآن و روایات اهل بیت(ع)
تحلیل راهبردی پیام ۱۳ آبان رهبر انقلاب: از «ایران هرچه قوی‌تر» تا «نظم جدید جهانی»
تحلیل راهبردی پیام ۱۳ آبان رهبر انقلاب: از «ایران هرچه قوی‌تر» تا «نظم جدید جهانی»
خاطراتی از حمید علیدوستی از جنگ عراق با ایران و از دست رفتن قهرمانی جام ملتهای آسیا ۱۹۸۰
play_arrow
خاطراتی از حمید علیدوستی از جنگ عراق با ایران و از دست رفتن قهرمانی جام ملتهای آسیا ۱۹۸۰
آقا حساب کردند...
play_arrow
آقا حساب کردند...
انقلاب دوم؛ «روایت تسخیر»
play_arrow
انقلاب دوم؛ «روایت تسخیر»
جزئیات جدیدی از پرونده جنایت میدان علیخانی اصفهان
play_arrow
جزئیات جدیدی از پرونده جنایت میدان علیخانی اصفهان
صیدگاه هرمز؛ ثبت لحظه انهدام پنجاه‌وپنجمین پهپاد پیشرفته MQ-۹
play_arrow
صیدگاه هرمز؛ ثبت لحظه انهدام پنجاه‌وپنجمین پهپاد پیشرفته MQ-۹
بازدید نماینده ولی‌فقیه در سپاه از تونل‌های موشکی جنوب
play_arrow
بازدید نماینده ولی‌فقیه در سپاه از تونل‌های موشکی جنوب
آخرین وضعیت پرونده پلتفرم زرپاد، فروش آنلاین طلا
play_arrow
آخرین وضعیت پرونده پلتفرم زرپاد، فروش آنلاین طلا
علت توقف اجرای حکم اعدام متهم خانه وحشت چه بود؟
play_arrow
علت توقف اجرای حکم اعدام متهم خانه وحشت چه بود؟
حمله وحشیانه پلیس آلمان به دختر معترض
play_arrow
حمله وحشیانه پلیس آلمان به دختر معترض
تصاویری از حمله رژیم صهیونیستی به جنوب لبنان
play_arrow
تصاویری از حمله رژیم صهیونیستی به جنوب لبنان
اینترنشنال توجیه‌گر حمله به زیرساخت‌های ایران
play_arrow
اینترنشنال توجیه‌گر حمله به زیرساخت‌های ایران
لحظه رهگیری و انهدام پهپاد MQ۹ آمریکایی در شرق تنگه هرمز
play_arrow
لحظه رهگیری و انهدام پهپاد MQ۹ آمریکایی در شرق تنگه هرمز
دردسرهای انتخاباتی ترامپ
play_arrow
دردسرهای انتخاباتی ترامپ