Effet Hall et capteurs basés sur celui-ci

L'effet Hall a été découvert en 1879 par le scientifique américain Edwin Herbert Hall. Son essence est la suivante (voir figure). Si un courant passe à travers une plaque conductrice et qu'un champ magnétique est dirigé perpendiculairement à la plaque, alors la tension apparaît dans la direction transversale au courant (et la direction du champ magnétique): Uh = (RhHlsinw) / d, où Rh est le coefficient de Hall, qui dépend du matériau du conducteur; H est la force du champ magnétique; I est le courant dans le conducteur; w est l'angle entre la direction du courant et le vecteur d'induction de champ magnétique (si w = 90 °, sinw = 1); d est l'épaisseur du matériau.

Du fait que l'effet de sortie est déterminé par le produit de deux quantités (H et I), les capteurs à effet Hall sont très largement utilisés. Le tableau montre les coefficients de Hall pour divers métaux et alliages. Désignations: Т - température; B est le flux magnétique; Rh - Coefficient de Hall en unités de m3 / C.

Les détecteurs de proximité à effet Hall basés sur l'effet Hall sont largement utilisés à l'étranger depuis le début des années 70. Les avantages de ce commutateur sont une fiabilité et une durabilité élevées, de petites dimensions et les inconvénients sont une consommation d'énergie constante et un coût relativement élevé.

Le principe de fonctionnement du générateur Hallmais

Le capteur Hall a une conception fendue. Un semi-conducteur est situé sur un côté de la fente, à travers lequel le courant circule lorsque le contact est mis, et d'autre part, un aimant permanent.

Dans un champ magnétique, les électrons en mouvement sont affectés par une force. Le vecteur de force est perpendiculaire à la direction des composants magnétiques et électriques du champ.

Si une plaquette semi-conductrice (par exemple, à partir d'arséniure d'indium ou d'antimoniure d'indium) est introduite dans un champ magnétique par induction dans un courant électrique, une différence de potentiel apparaît sur les côtés, perpendiculairement à la direction du courant. La tension de Hall (Hall EMF) est proportionnelle au courant et à l'induction magnétique.

Il y a un espace entre la plaque et l'aimant. Dans l'espace du capteur se trouve un écran en acier. Lorsqu'il n'y a pas d'écran dans l'espace, un champ magnétique agit sur la plaque semi-conductrice et la différence de potentiel en est supprimée. Si l'écran est dans l'espace, les lignes de champ magnétique se ferment à travers l'écran et n'agissent pas sur la plaque, dans ce cas, la différence de potentiel ne se produit pas sur la plaque.

Le circuit intégré convertit la différence de potentiel créée sur la plaque en impulsions de tension négatives d'une certaine valeur à la sortie du capteur. Lorsque l'écran est dans l'espace du capteur, il y aura une tension à sa sortie; s'il n'y a pas d'écran dans l'espace du capteur, alors la tension à la sortie du capteur est proche de zéro.

Effet Hall quantique fractionnaire

Beaucoup a été écrit sur l'effet Hall, cet effet est largement utilisé en technologie, mais les scientifiques continuent de l'étudier. En 1980, le physicien allemand Klaus von Klitzung a étudié le fonctionnement de l'effet Hall à des températures ultra-basses. Dans une mince plaque semi-conductrice, von Klitzung a progressivement modifié la force du champ magnétique et a constaté que la résistance de Hall ne change pas en douceur, mais en sauts. L'amplitude du saut ne dépendait pas des propriétés du matériau, mais était une combinaison de constantes physiques fondamentales divisées par un nombre constant. Il s'est avéré que les lois de la mécanique quantique ont en quelque sorte changé la nature de l'effet Hall. Ce phénomène a été appelé effet Hall quantique intégral. Pour cette découverte, von Klitzung a reçu le prix Nobel de physique en 1985.

Deux ans après la découverte de von Klitzung au laboratoire Bell Telephone (celui dans lequel le transistor a été ouvert), les employés de Stormer et Tsui ont étudié l'effet Hall quantique à l'aide d'un échantillon exceptionnellement propre de gros arséniure de gallium fabriqué dans le même laboratoire.L'échantillon avait un degré de pureté si élevé que les électrons le traversaient de bout en bout sans rencontrer d'obstacles. L'expérience Stormer et Tsui s'est déroulée à une température beaucoup plus basse (zéro presque absolu) et avec des champs magnétiques plus puissants que dans l'expérience von Klitzung (un million de fois Champ magnétique terrestre).

À leur grande surprise, Stormer et Tsui ont trouvé un saut dans la résistance Hall trois fois supérieur à celui de von Klitzung. Puis ils ont découvert des sauts encore plus grands. Le résultat était la même combinaison de constantes physiques, mais divisée non pas par un entier, mais par un nombre fractionnaire. Les physiciens chargent un électron comme une constante qui ne peut pas être divisée en parties. Et dans cette expérience, pour ainsi dire, des particules avec des charges fractionnaires ont participé. L'effet a été appelé effet Hall quantique fractionnaire.

Un an après cette découverte, un employé du laboratoire de La Flin a donné une explication théorique de l'effet. Il a déclaré que la combinaison d'une température ultra-basse et d'un champ magnétique puissant amène les électrons à former un fluide quantique incompressible. Mais la figure utilisant l'infographie montre le flux d'électrons (boules) perçant l'avion. Les rugosités dans le plan représentent la répartition des charges de l'un des électrons en présence d'un champ magnétique et la charge des autres électrons. Si un électron est ajouté à un liquide quantique, alors une certaine quantité de quasiparticules avec une charge fractionnelle est formée (sur la figure, cela est représenté comme un ensemble de flèches pour chaque électron).
En 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui et Robert Laughlin ont reçu le prix Nobel de physique. Actuellement, H. Stormer est professeur de physique à l'Université Columbia, D. Tsui est professeur à l'Université Princeton et R. Laughlin est professeur à l'Université Stanford.