Введение
Электромагнитный эффект в физике
Эффект Холла — это возникновение разности потенциалов (напряжение Холла) в электрическом проводнике, перпендикулярной как электрическому току в проводнике, так и приложенному магнитному полю, направленному перпендикулярно току. Он был открыт Эдвином Холлом в 1879 году. Коэффициент Холла определяется как отношение величины индуцированного электрического поля к произведению плотности тока и напряженности приложенного магнитного поля. Это характеристика материала, из которого изготовлен проводник, поскольку его значение зависит от типа, концентрации и свойств носителей заряда, формирующих ток.
Открытие
Провода, несущие ток в магнитном поле, испытывают механическую силу, перпендикулярную как току, так и магнитному полю. Андре-Мари Ампер в 1820-х годах наблюдал этот лежащий в основе механизм, который впоследствии привел к открытию эффекта Холла. Однако подробное понимание взаимодействия между магнитами и электрическим током стало возможным лишь после того, как Джеймс Клерк Максвелл систематизировал строгую математическую основу электромагнетизма в своей работе "О физических линиях силы" (опубликованной в 1861–1862 годах). Эдвин Холл затем исследовал вопрос о том, взаимодействуют ли магнитные поля с проводниками или непосредственно с электрическим током, и пришел к выводу, что если сила действует именно на ток, она должна смещать его к одной стороне провода, создавая небольшое, но измеримое напряжение. За восемнадцать лет до открытия электрона его измерения этого незначительного эффекта, полученные с помощью разработанного им аппарата, стали выдающимся экспериментальным достижением и были опубликованы под названием "О новом действии магнита на электрические токи".
Эффект Холла в пустотах
Термин «обычный эффект Холла» можно использовать для разграничения эффекта, описанного во введении, от связанного с ним эффекта, возникающего в пустоте или отверстии в полупроводниковой или металлической пластине при подаче тока через контакты, расположенные на границе или краю этой пустоты. Заряд затем течет вне пустоты, внутри материала металла или полупроводника. Эффект становится наблюдаемым в перпендикулярном магнитном поле как напряжение Холла, возникающее по обе стороны линии, соединяющей токовые контакты. Он проявляет кажущуюся инверсию знака по сравнению с «обычным» эффектом, наблюдаемым в просто связанном образце. Он зависит исключительно от тока, подаваемого изнутри пустоты.
Суперпозиция эффекта Холла
Суперпозиция этих двух форм эффекта, обычного и эффекта, обусловленного наличием пустоты, также может быть реализована. Сначала представим "обычную" конфигурацию – простосвязный (без пустот) тонкий прямоугольный однородный элемент с токосъемными контактами на (внешней) границе. В перпендикулярном магнитном поле в этом элементе возникает напряжение Холла. Затем представим размещение внутри этой обычной конфигурации прямоугольной пустоты с токосъемными контактами, как упоминалось выше, на внутренней границе пустоты. (Для упрощения, представим, что контакты на границе пустоты выровнены с контактами обычной конфигурации на внешней границе.) В такой комбинированной конфигурации два эффекта Холла могут быть реализованы и наблюдаться одновременно в одном и том же двусвязном устройстве: эффект Холла на внешней границе, пропорциональный току, подаваемому только через внешнюю границу, и эффект Холла на внутренней границе, имеющий, по-видимому, противоположный знак и пропорциональный току, подаваемому только через внутреннюю границу. Суперпозиция нескольких эффектов Холла может быть реализована путем размещения нескольких пустот внутри элемента Холла с токовыми и измерительными контактами на границе каждой пустоты. Другие "эффекты Холла" могут основываться на дополнительных физических механизмах, но исходят из этих базовых принципов.
Связь с звездообразованием
Хотя хорошо известно, что магнитные поля играют важную роль в формировании звёзд, исследовательские модели указывают на то, что диффузия Холла существенно влияет на динамику гравитационного коллапса, приводящего к образованию протозвёзд.
Эффект Холла
Для двухмерной электронной системы, которую можно создать в MOSFET, при сильном магнитном поле и низкой температуре, наблюдается квантовый эффект Холла, при котором холловская проводимость σ испытывает квантовые переходы, принимая квантованные значения.
Эффект Холла квантового спина
Для двухмерных квантовых ям на основе теллурида ртути с сильным спин-орбитальным взаимодействием, в нулевом магнитном поле и при низкой температуре, квантовый спиновый эффект Холла был обнаружен в 2007 году.
Аномальный эффект Холла
В ферромагнитных материалах (и парамагнитных материалах в магнитном поле) сопротивление Холла включает в себя дополнительный вклад, известный как аномальный эффект Холла (или экстраординарный эффект Холла), который напрямую зависит от намагниченности материала и зачастую значительно превосходит обычный эффект Холла. (Следует отметить, что этот эффект не связан с вкладом намагниченности в общее магнитное поле.) Например, в никеле аномальный коэффициент Холла примерно в 100 раз больше обычного коэффициента Холла вблизи температуры Кюри, однако они становятся сопоставимыми при очень низких температурах. Несмотря на то, что это хорошо изученное явление, его происхождение в различных материалах до сих пор остается предметом дискуссий. Аномальный эффект Холла может быть обусловлен внешними (связанными с беспорядком) факторами, вызванными спин-зависимым рассеянием носителей заряда, либо являться внутренним эффектом, который можно описать с точки зрения эффекта фазы Берри в пространстве кристаллических импульсов (пространстве k).
Другие эффекты Холла
Семейство эффектов Холла расширилось, включив в себя другие квазичастицы в полупроводниковых наноструктурах. В частности, сформировался ряд эффектов Холла, основанных на экситонах и экситонных поляритонах в двумерных материалах и квантовых ямах.
Приложения
Датчики Холла усиливают и используют эффект Холла в различных областях применения для определения параметров.
Эффект Корбино
Эффект Корбино, названный в честь его первооткрывателя Орсо Марио Корбино, – это явление, связанное с эффектом Холла, но использующее образец металла в форме диска вместо прямоугольного. Благодаря своей форме диск Корбино позволяет наблюдать магниторезистентность, обусловленную эффектом Холла, без сопутствующего напряжения Холла. Радиальный ток, проходящий через круговой диск, подвергаемый воздействию магнитного поля, перпендикулярного плоскости диска, создает "круговой" ток внутри диска. Отсутствие свободных поперечных границ упрощает интерпретацию эффекта Корбино по сравнению с интерпретацией эффекта Холла.