Tajemnice skrzyżowanych prądów - efekt Halla

Pod koniec ubiegłego wieku młody amerykański student fizyki Edwin Hall dokonał odkrycia, które pojawiło się w jego podręcznikach fizyki. Przeprowadził prosty „studencki” eksperyment - badał propagację prądu w cienkiej metalowej płytce umieszczonej między biegunami silnego elektromagnesu. Studenci wszystkich uniwersytetów przechodzą praktykę laboratoryjną, gdzie na prostych przykładach uczy się umiejętności eksperymentu. Tak było i tym razem. Skromny student nie mógł sobie wyobrazić, że jego proste doświadczenie doprowadziłoby do lawiny badań, z których część będzie naznaczona najbardziej honorową nagrodą naukową - Nagrodą Nobla.

Urządzenie, z którym współpracował Hall, składało się z dwóch ułożonych poprzecznie obwodów elektrycznych - w ten sposób wiążą pudełko słodyczy wstążką. Łańcuchy różniły się tym, że jeden z nich zawierał akumulator elektryczny, a prąd z niego przesyłany wzdłuż płyty, drugi, poprzeczny, nie miał źródeł prądu i po prostu łączył krawędzie płyty.

Zgodnie z oczekiwaniami, w przypadku wyłączenia elektromagnesu przyrządy rejestrowały przepływ prądu tylko wzdłuż płyty - w obwodzie z akumulatorem - i jego brak w „pustym” obwodzie poprzecznym. Nic dziwnego. Jednak zaraz po włączeniu elektromagnesu w obwodzie poprzecznym pojawił się sam prąd elektryczny, jakby z niczego. To było interesujące, ale nie było tu cudu - wyjaśnienie znaleziono dość szybko. Na elektrony poruszające się w łańcuchu podłużnym wpływa siła Lorentza, dobrze znana ze szkolnego podręcznika, która odchyla elektrony w kierunku poprzecznym, co generowało niewielki prąd w łańcuchu poprzecznym - wszystko jest elementarnie proste.

Przez ponad pół wieku, na wpół zapomniane, zjawisko to pozostawało w tyle fizyki. Wykopano go w archiwach przez specjalistów w dziedzinie mikroelektroniki. Na początku okazało się, że gdyby zgrubne urządzenia pomiarowe czasu Halla zostały zastąpione nowoczesnymi, wówczas odkryte przez niego zjawisko można by wykorzystać do zliczenia liczby naładowanych cząstek, których ruch wytwarza prąd elektryczny, co jest bardzo ważne dla projektantów tranzystorów niskoszumowych i innych bardzo wrażliwych urządzeń mikroelektronicznych pracujących z bardzo słabymi prądy i pola magnetyczne.

Efekt Halla został dokładnie zbadany, nie szczędząc wysiłków, aby poprawić dokładność. Trzecie, czwarte, piąte miejsce po przecinku na skalach przyrządów pomiarowych ... I tutaj na pierwszy rzut oka zaczęły pojawiać się niesamowite, po prostu niesamowite zjawiska.

Pierwszy niesamowity wynik uzyskano dwadzieścia lat temu, pod koniec lat siedemdziesiątych, w eksperymentach z obwodami półprzewodnikowymi w silnym polu magnetycznym w bardzo niskich temperaturach, zaledwie kilka stopni od „zera absolutnego” - 273 stopni Celsjusza, kiedy substancja zamarza tak bardzo, że przestań, wszystkie ruchy molekularne zamarzają. Jeśli więc w zwykłych temperaturach zbliżonych do temperatury pokojowej rezystancja elektryczna w obwodzie z „prądem Halla” stopniowo wzrasta wraz ze wzrostem pola magnetycznego, to z jakiegoś powodu w pobliżu temperatury zerowej zmienia się stopniowo - jakby gładka ścieżka, wzdłuż której poruszają się cząstki prądu, nagle zastąpiony brukiem o głębokich nierównościach. Gładkie krzywe wypisane przez rejestratory są okresowo zastępowane przez „drabinę”, której wysokość kroków jest równa pewnej stałej podzielonej liczbami całkowitymi n = 1, 2, 3 itd.

I co jest jeszcze bardziej zaskakujące - na każdym etapie rezystancja w obwodzie prądu wzdłużnego spada do zera, to znaczy dla prądu wzdłużnego substancja staje się nadprzewodnikiem - elektrony toczą się bez żadnego oporu, ale w stawach, przechodząc z jednego etapu do drugiego, opór gwałtownie skacze i nadprzewodnictwo natychmiast znika.Wszystko to wyglądało na jakieś zamieszanie - jak mówią, wszystko zostało pomieszane w domu Oblońskiego!

Jak wytłumaczyć tak dziwne zachowanie skrzyżowanych prądów? Dlaczego zachowują się na zupełnie inne sposoby? Elektrodynamika okazała się bezsilna wobec tej zagadki ... Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że tajemnicze zjawiska występują w złożonych eksperymentach z cząstkami elementarnymi lub głęboko w przestrzeni, jeśli chodzi o czarne dziury, eksplodujące galaktyki i inne obiekty, które zadziwiają naszą wyobraźnię, a oto tylko eksperymenty z opornością i prądami. Wzdłuż zadbanego obszaru i - na Ciebie!

V. Barashenkov, E. Kapustsik