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八声甘州·分数量子霍尔效应

已有 8673 次阅读 2017-9-29 11:59 |个人分类:物理|系统分类:诗词雅集| 霍尔效应, 崔琦

诧电穿磁场侧生枝,横向电压稠。
正洛伦兹力,拖缠电子,拐转绸缪。
惜叹当初霍尔,不解个中由。
效应百年后,再撼诸侯。
探测至寒蝉翼,绘磁通电阻,恍似层楼。
见方程有序,整数量纲头。
信超薄,奇篇必赋,近温标、分数式前收。
斯京望,豫州万里,慈母乡愁。


     1879年,美国霍普金斯大学研究生研究生埃德温·霍尔(Edwin Herbert Hall)发现,将一个通电的长方形金属薄片放置于磁场中,居然在垂直于磁场和电流的方向上测到一个横向的电压!这个奇特的现象被命名为霍尔效应。霍尔电压常称为横向电压,以区别于沿电流方向的那个驱动电压。横向电压的大小与磁感应强度B和电流强度I 的大小都成正比, 而与金属板的厚度d成反比。

     霍尔效应刚发现的那会儿,电子还没有被发现。所以无法解释霍尔效应的本质究竟是什么。而现在我们已经知道,霍尔电压的产生是因为在磁场中运动的电子受到洛伦兹力作用,产生了一个横向运动,在与电流垂直的方向堆积起来,也形成一个横向电压。最终电压阻止了电荷的继续堆积,与洛伦兹力达到平衡。

   霍尔效应很快就在测量载流子浓度、测量磁场强度、磁流体发电甚至汽车点火上得到了应用。谁也没有想到,霍尔效应发现100年后,由于半导体技术的发展,人们已经实现了将电子束缚在一个近乎二维的平面上,实现了“二维电子气”。1980年,德国科学家冯·克利青(Klaus von Klitzing1943-)发现:在1.5K度(摄氏-271度)和19.8T的极强磁场下,二维电子气也会产生一个类似霍尔效应的现象,但是奇怪的是测量到的霍尔电压并不是连续的,只能取一些间断的数值,就像一个个台阶一样,霍尔电压和电阻的关系可以表示成某个整数和普朗克常数的关系式。由于出现了普朗克常数,因此这是一个量子效应,被称为整数量子霍尔效应,他因此获得1985年诺贝尔物理奖。


   1982年,已经是普林斯顿大学电子工程系教授的崔琦在整数量子霍尔效应的实验基础上,推测在二维电子气更薄、温度更低和磁场更强的条件下,也许还会有意想不到的奇迹发生。功夫不负有心人,崔琦和他的同事Horst Stormer用砷化镓等半导体材料代替了传统的二氧化硅,在85mK的低温和280kG的磁场下,量子霍尔效应方程的n居然可以取分数值!也就是说在克利青发现的“台阶”之间还有一些“小台阶”,这是一种全新的物质形态,他们命名为“分数量子霍尔效应”,最终获得了1998年诺贝尔物理奖。


   1939年正月初十,河南宝丰县肖旗乡,崔琦出生了。他父母虽然不识字,但却有着独到的眼光。眼看着崔琦小学毕业后因附近没有中学而辍学务农,崔母王双贤克服了重重困难,将崔琦送到香港培正中学就读,从此改变了人生。而崔琦的父母却先后在19591968年去世。崔琦获奖后,名声大噪。有一次,杨澜在采访中问他:“你12岁那年如果不外出读书,结果会怎么样?”崔琦回答:“如果我不出来……我父母就不会死。”他后悔得流下了眼泪。2003年,宝丰县重建了崔琦故居,并专门辟了一个展览馆,当地的官员数次邀请,但一直等不到到主人的归来。   20144月,75岁的崔琦带着家人回到阔别63年的故乡——宝丰县肖旗乡范寨村范庄自然村……






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