Tài liệu tham khảo: Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu tham khảo: Hiệu ứng Hall Hiệu ứng HallHiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuônggóc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung(thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế(hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall vàdòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nênthanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.Lịch sử khám pháCâu chuyện về hiệu ứng Hall bắt đầu từ một sai lầm của James Clerk Maxwell (1831-1879) Trong cuốn “Luận về thuyết Điện từ” xuất bản lần đầu tiên năm 1873, Maxwellđã thảo luận về sự thay đổi dòng điện dưới tác dụng của từ trường. Trong đó ông chorằng: “Cần đặc biệt lưu ý rằng lực (gây ra bởi điện trường) đặt lên dây dẫn sẽ khôngtác dụng trực tiếp lên dòng điện mà tác động lên dây dẫn mang dòng điện đó.”Năm 1878, Edwin Herbert Hall (1855 - 1938), một sinh viên của trường ĐH JohnsHopkins, đọc quyển sách trên trong một khóa học do giáo sư Henry Rowland (1848-1901) dạy. Hall hỏi ý kiến Rowland về nhận xét của Maxwell. Vị giáo sư này trả lờirằng ông “nghi ngờ tính xác thực của kết luận đó của Maxwell và ông cũng đã từng vộivã tiến hành một thí nghiệm kiểm chứng… và đã không thành công.”Hall quyết định tiến hành một cuộc thí nghiệm khác theo cách khác nhằm đo lường từtrở (magneto-resistance), có nghĩa là đo sự thay đổi của điện trở theo từ trường đặtvào. Như ngày nay chúng ta đã biết, đó là một cuộc thí nghiệm phức tạp hơn thí nghiệmcủa giáo sư Rowland nhiều, và cũng đã thất bại. Có vẻ như khẳng định của Maxwell làđúng. Tuy nhiên, sau đó Hall quyết định làm lại thí nghiệm của Rowland. Theo sự chỉdẫn của người thầy giàu kinh nghiệm này, Hall thay thế dây dẫn kim loại ban đầu bằngmột lá vàng mỏng. Việc này đã bù lại cho một thiếu sót của thí nghiệm Rowland.Nguyên nhân ở chổ lúc đó chỉ có thể tạo ra từ trường yếu trong điều kiện phòng thínghiệm. Vì vậy hiệu ứng chỉ có thể quan sát được nếu kim loại dẫn điện rất tốt nhưvàng.Và đúng như vậy, điều đó đã làm nên chuyện. Biểu đồ do Hall lập ra để khảo sát màgiờ đây được coi là hiệu ứng Hall được trình bày ở trong bất kỳ cuốn sách giáo khoanào về lý thuyết chất rắn.. Hall nhận thấy rằng trái ngược với khẳng định của Maxwell,từ trường luôn làm thay đổi sự phân bố điện tích, và vì vậy làm lệch kim của điện kế nốivới các mặt bên của dây dẫn điện. Hiệu điện thế ngang giữa các mặt được gọi là điệnthế Hall. Độ dẫn điện Hall về bản chất chính là bằng cường độ dòng điện theo chiềudọc chia cho điện thế ngang này.Phát hiện này đã mang lại cho Hall một chỗ làm tại trường Harvard. Công trình củaông được xuất bản năm 1879, năm Maxwell mất vào tuổi 48. Hai năm sau đó, sách củaMaxwell được tái bản lần hai vào năm 1881, trong đó có một chú thích lịch sự ở cuốitrang của nhà xuất bản là: “Ông Hall đã phát hiện rằng một từ trường ổn định có thểlàm thay đổi chút ít sự phân bố dòng điện trong phần lớn các dây dẫn, vì vậy tuyên bốcủa Maxwell chỉ được xem như là gần đúng.”Ở đây chúng ta thấy rằng cường độ và ngay cả dấu của điện thế Hall phụ thuộc vàotính chất của nguyên liệu làm nên dây dẫn – lá vàng mỏng trong thí nghiệm của Hall.Điều này đã làm cho hiệu ứng Hall trở thành một công cụ dự đoán quan trọng trongviệc khảo sát các hạt dẫn mang điện. Ví dụ như việc đưa đến lý thuyết về lỗ trốngtích điện dương như là hạt mang điện trong chất rắn. Mặc dù Maxwell đã sai lầm, ôngcũng đã khơi dậy một nghiên cứu thành công và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong vật lý.Một thế kỷ sau, hiệu ứng Hall lại được chú ý như nguồn sinh lực cho các nghiên cứuvật lý mới. Năm 1980, tại phòng thí nghiệm từ trường mạnh Grenoble tại Pháp, KlausVon Klitzing (sinh năm 1943, giải Nobel năm 1985) nghiên cứu điện dẫn Hall cho khíđiện tử hai chiều ở nhiệt độ rất thấp. Ông ta tìm thấy rằng , xét về bản chất, thì điệndẫn Hall là hàm của cường độ từ trường vuông góc với mặt phẳng của khí điện tử vàđược mô tả dưới dạng đồ thị hình bậc thang của các đoạn ngang liên tục. Với một độchính xác hoàn toàn bất ngờ, những giá trị liên tiếp tăng dần của điện dẫn Hall luôn làbội số nguyên của một hằng số cơ bản tự nhiên: e2/h = 1/ (25 812.807 572 Ω)bất kể những chi tiết hình học khác nhau của thí nghiệm hay những điểm không thuầnchất của vật liệu dùng làm thí nghiệm. Hai năm sau, hiệu ứng Hall lượng tử phân sốcũng được phát hiện bởi một nhóm nhà thực nghiệm lãnh đạo bởi D. Tsui. Hiệu ứngmới này khiến hiệu ứng Hall lượng tử ban đầu còn được gọi là hiệu ứng Hall lượng tửnguyên. Klaus Von Klitzing đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1985 vì đã khám phá ra hiệuứng lượng tử Hall và độ chính xác của hiệu ứng này đã cung cấp cho các nhà đo lườnghọc một chuẩn cao cấp cho đơn vị điện trở.Hiệu ứng Hall lượng tử cũng dẫn đến một phương pháp đo lường trực tiếp hằng số cấutrúc tinh tế e2/hc với độ chính xác hiển nhiên cho ra giá trị 1/137.0360. 0300(270).Phương pháp khác dựa trên việc đo moment từ dị thường của điện tử thực sự cho hằngsố cấu trúc tinh tế một kết quả chính xác hơn. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi mộtnỗ lực tính toán khổng lồ - gồm hơn 1,000 giản đồ Feynman (Richard P. Feynman([1918-1988], Nobel Vật lý năm 1965) và việc mắc sai lầm khi tính toán rất dễ xảy ra.Làm sao chúng ta có thể giải thích được độ chính xác đáng kinh ngạc của sự lượng tửhóa trong hiệu ứng Hall lượng tử khi mà độ chính xác này không phụ thuộc vào ngẫunhiên của vật liệu thí nghiệm ? Ở đây rõ ràng một điều là các mẫu vật khác nhau cócác tạp chất khác nhau, cấu trúc hình học khác nhau và mật độ điện tử khác nhau. Mộttrong những tiến bộ về mặt lý thuyết phát sinh từ câu hỏi này là việc phát hiện ra rằngđiện dẫn Hall khi ở trạng thái bình ổn có liên quan đến tính chất tôpô của khônggian..Hiện nay người ta đã tìm ra mối liên hệ giữa hiệu ứng Hall lương ...