Kvantum Hall-effektus szobahőmérsékleten

A Science tudományos hetilap online változatában közölt eredmény váratlansága miatt nagy érdeklődést váltott ki a fizikusok körében. A szenzáció megértéséhez szavanként kell elemeznünk a felfedezés lényegét összefoglaló címet.

Pásztázó elektronmikroszkópos felvétel egy grafénlapkáról. A kép szélessége 20 mikrométer

Herbert Hall amerikai fizikus 1879-ben fedezte fel, hogy erős mágnes sarkai közé helyezett vékony áramvezető szalag élei között feszültség lép fel. Ennek a feszültségnek és az áramnak az aránya a Hall-ellenállás. A vezetőre merőleges mágneses tér hat az áramban mozgó töltésekre, azokat eltéríti. Emiatt a töltéshordozók a vezető felszínén halmozódnak fel: a pozitív töltések az egyik, a negatívak a másik oldalon, a két oldal között pedig potenciálkülönbség, feszültség lép fel. Ez a feszültség mérhető, és nagysága a hőmérséklettől is függ. A Hall-effektust felhasználva meg lehet határozni a töltéshordozók sűrűségét vezető vagy félvezető anyagokban.

Klaus von Klitzing német fizikus 1980-ban azt találta, hogy a Hall-ellenállás nem egyenletesen, nem folyamatosan, hanem diszkrét egységekben, ugrásszerűen változik - ez az ún. kvantum Hall-effektus. Az ellenállás értékében megfigyelt ugrások nem függenek az anyag tulajdonságaitól. Az ugrások igen egyszerű, csak két alapvető fizikai állandót (Planck-állandó és elektrontöltés) tartalmazó képletből számíthatók ki. Az ugrások magasságát úgy kapjuk meg, ha egész számokkal osztunk a formulában. Von Klitzing a kvantált ellenállás felfedezéséért 1985-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. Akkor minden szakember úgy tartotta, hogy a kvantum Hall-effektus csak nagyon erős mágneses térben és igen alacsony, az abszolút nullához közeli hőmérsékleten lép fel.

1998-ban újra a kvantum Hall-effektusért ítélték oda a fizikai Nobel-díjat. A kísérletezők, Horst L. Störmer és Daniel T. Tsui erősebb mágneses térrel és alacsonyabb hőmérséklettel dolgoztak, mint von Klitzing. Az általuk megfigyelt kvantumugrásokat úgy lehet kiszámítani az állandókból, hogy egész helyett tört számokkal osztanak a formulában, ezért is kapta az új jelenség a törtszámos kvantum Hall-effektus nevet.

A legújabb szenzációs eredmény megszületését az tette lehetővé, hogy minden korábbinál erősebb mágneses térben vizsgálódtak. Az Egyesült Államokban (Tallahassee, Florida) és Hollandiában (Nijmegen) dolgozó kutatók egymástól függetlenül fedezték fel az új jelenséget, de a sikert szokatlan módon közösen jelentették be. Floridában 45 tesla, Nijmegenben 33 tesla mágneses térerősséget értek el.

Vizsgálati anyaguk is különleges volt, a szén grafén nevű változatával dolgoztak. A grafén szénatomokból álló, sík, egyetlen atom vastagságú réteg. Az atomok méhsejtszerűen, hatszögletű rácsban helyezkednek el. Egy grafénlapkát hengeresen feltekerve szén nanocsövet kapunk.

A kvantumvilág jelenségei rendszerint nem figyelhetők meg szobahőmérsékleten, mert az atomok hőmozgása elfedi a finom részleteket. Az amerikai mágneses nemzeti laboratórium vezetője, Gregory S. Boebinger szerint "minél inkább megértjük a kvantumfizika különleges világát, annál könnyebb lesz megtervezni a parányi elektronikai eszközök következő, már a kvantumtartományban működő generációját."

Jéki László