¿Qué es el efecto Hall cuántico?

El efecto Hall cuántico es una teoría bien aceptada en física que describe el comportamiento de los electrones dentro de un campo magnético a temperaturas extremadamente bajas. Las observaciones del efecto justifican claramente la teoría de la mecánica cuántica en su conjunto. Los resultados son tan precisos que el estándar para la medición de la resistencia eléctrica utiliza el efecto Hall cuántico, que también sustenta el trabajo realizado en los superconductores.

El efecto Hall, descubierto por Edwin Hall en 1879, se observa cuando una corriente de electricidad pasa a través de un conductor colocado en un campo magnético. Los portadores de carga, que generalmente son electrones pero pueden ser protones, se dispersan hacia el lado del conductor debido a la influencia del campo magnético. El fenómeno se puede visualizar como una serie de automóviles empujados hacia los lados debido a un fuerte viento mientras baja por una carretera. Los autos toman un camino curvo mientras intentan avanzar pero se ven forzados hacia los lados.

Se desarrolla una diferencia potencial entre los lados del conductor. La diferencia de voltaje es bastante pequeña y es una función de la composición del conductor. La amplificación de la señal es necesaria para hacer instrumentos útiles basados ​​en el efecto Hall. Este desequilibrio en el potencial eléctrico es el principio detrás de una sonda Hall que mide campos magnéticos.

Con la popularidad de los semiconductores, los físicos se interesaron en examinar el efecto Hall en láminas tan delgadas que los portadores de carga estaban esencialmente restringidos al movimiento en dos dimensiones. Aplicaron corriente a láminas conductoras bajo fuertes campos magnéticos y bajas temperaturas. En lugar de ver electrones tirados hacia los lados en caminos continuos curvados, los electrones saltaron repentinamente. Hubo picos agudos en la resistencia al flujo a niveles de energía específicos a medida que se cambió la intensidad del campo magnético. Entre picos, la resistencia cayó a un valor cercano a cero, una característica de los superconductores de baja temperatura.

Los físicos también se dieron cuenta de que el nivel de energía necesario para causar un aumento en la resistencia no era una función de la composición del conductor. Los picos de resistencia ocurrieron en múltiplos enteros entre sí. Estos picos son tan predecibles y consistentes que se pueden utilizar instrumentos basados ​​en el efecto Hall cuántico para crear estándares de resistencia. Tales estándares son esenciales para probar la electrónica y garantizar un rendimiento confiable.

La teoría cuántica de la estructura atómica, que es el concepto de que la energía está disponible en paquetes discretos enteros a nivel subatómico, había predicho el efecto Hall cuántico ya en 1975. En 1980, Klaus von Klitzing recibió el Premio Nobel de Física por su Descubrimiento de que el efecto Hall cuántico era exactamente discreto, lo que significa que los electrones solo podían existir en niveles de energía claramente definidos. El efecto Hall cuántico se ha convertido en otro argumento en apoyo de la naturaleza cuántica de la materia.