Der „Unfall“ der elektronischen „Autobahn“ kann Computer schneller und Mobiltelefone energieeffizienter machen!

Hall-Effekt? Es klingt cool, ist aber eigentlich ganz einfach!

Stellen Sie sich vor, Sie fahren Skateboard. Wenn Sie mit aller Kraft nach vorne gleiten und plötzlich ein Seitenwind weht, werden Sie ein wenig zur Seite geblasen. Dies ist eine Kraft, die die Richtung Ihrer Bewegung beeinflusst.

In der Welt der Elektronik gibt es ein ähnliches Phänomen, das als Hall-Effekt bekannt ist.

Was ist der Hall-Effekt?

Vereinfacht ausgedrückt bedeutet der Hall-Effekt, dass eine Gruppe von Elektronen, die in einer Linie in einem Draht laufen, bei einem plötzlich auftretenden Magnetfeld durch die Kraft des Magnetfelds zur Seite gedrückt wird, genau wie ein Skateboard, das durch einen Seitenwind schief geworfen wird.

Stellen Sie sich als Analogie vor, das Kabel sei eine Autobahn und die Elektronen seien die Autos. Wenn diese Autos mit hoher Geschwindigkeit auf der Autobahn fahren und plötzlich ein Magnetfeld auftritt, ist es, als würde die Autobahn plötzlich zu einem Abhang, und die Autos werden durch die Kraft des „Abhangs“ zur Seite gedrückt.
Der Quanten-Hall-Effekt ist eine Erweiterung des Hall-Effekts im Bereich der Quantenmechanik. Wenn Elektronen bei niedriger Temperatur und starkem Magnetfeld durch ein zweidimensionales Elektronensystem laufen, zeigt der Hall-Widerstand ein stufenartiges Quantisierungsphänomen. Wenn der Hall-Widerstand einen bestimmten Quantenwert erreicht, verschwindet der Widerstand des Leiters und Strom fließt nur noch an den Rändern des Leiters.

Der quantenanomale Hall-Effekt ist eine Sonderform des Quanten-Hall-Effekts. Im Gegensatz zum Quanten-Hall-Effekt, der ein starkes Magnetfeld erfordert, kann der anomale Quanten-Hall-Effekt ohne externes Magnetfeld auftreten. Dieses Phänomen wurde in topologischen Isolatormaterialien entdeckt.

Topologische Isolatoren sind Materialien mit einer speziellen elektronischen Struktur, die an der Oberfläche Strom leitet, im Inneren jedoch isoliert. Wenn dieses Material mit einem ferromagnetischen Material kombiniert wird, kann der quantenanomale Hall-Effekt bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden.

Der Akademiker Xue Qikun erhielt 2024 den höchsten nationalen Wissenschafts- und Technologiepreis für die erste experimentelle Beobachtung des anomalen Quanten-Hall-Effekts.

Was nützen diese „High-End“-Dinge?

Tatsächlich haben sie einen sehr großen Einfluss auf unser Leben.

Schnellere Computer: Der Quanten-Hall-Effekt könnte uns helfen, kleinere und schnellere Chips herzustellen, wodurch unsere Computer schneller laufen.

Energieeffizientere Mobiltelefone: Der quantenmechanische anomale Hall-Effekt kann uns dabei helfen, energieeffizientere elektronische Geräte zu entwickeln, sodass unsere Mobiltelefone länger halten.

Präzisere Messungen: Der Quanten-Hall-Effekt ermöglicht die Entwicklung äußerst präziser Messinstrumente, die Wissenschaftlern bei der Erforschung der mikroskopischen Welt helfen.

Quelle: Chongqing Radio Science Popularization Experience Center

Prüfungsexperte: Yang Yaohui

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