До сих пор квантовый аномальный эффект Холла при нулевом магнитном поле возникал только при очень малых токах. Это устройство может изменить это.
Фото: Каетан Фиялковски / JMU.

Исследователи из Вюрцбургского университета разработали метод, который может улучшить характеристики стандартов квантового сопротивления. Он основан на квантовом явлении, называемом квантовым аномальным эффектом Холла.

Точное измерение электрического сопротивления имеет важное значение в промышленном производстве или электронике, например, при производстве высокотехнологичных датчиков, микрочипов и средств управления полетом. «Здесь необходимы очень точные измерения, поскольку даже самые незначительные отклонения могут существенно повлиять на эти сложные системы», — объясняет профессор Чарльз Гулд, физик из Института топологических изоляторов Вюрцбургского университета (JMU).

«Благодаря нашему новому методу измерения мы можем значительно повысить точность измерений сопротивления без какого-либо внешнего магнитного поля, используя квантовый аномальный эффект Холла (QAHE)».

Исследование опубликовано в журнале Nature Electronics.

Как работает новый метод
Многие люди, возможно, помнят классический эффект Холла из уроков физики: когда ток течет по проводнику и он подвергается воздействию магнитного поля, создается напряжение — так называемое напряжение Холла. Сопротивление Холла, полученное путем деления этого напряжения на ток, увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля.

В тонких слоях и при достаточно больших магнитных полях это сопротивление начинает развиваться дискретными ступенями со значениями ровно h/ne², где h — постоянная Планка, e — элементарный заряд, а n — целое число. Это известно как квантовый эффект Холла, поскольку сопротивление зависит только от фундаментальных констант природы (h и e), что делает его идеальным стандартным резистором.

Особенностью QAHE является то, что он позволяет квантовому эффекту Холла существовать при нулевом магнитном поле. «Работа в отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля не только упрощает эксперимент, но и дает преимущество при определении другой физической величины: килограмма. Чтобы определить килограмм, нужно измерить электрическое сопротивление и напряжение при в то же время, — говорит Гулд, — но измерение напряжения работает только без магнитного поля, поэтому QAHE идеально подходит для этого».

До сих пор QAHE измерялся только при токах, которые слишком малы для практического метрологического использования. Причиной этого является электрическое поле, разрушающее КАЭХ при более высоких токах. Физики из Вюрцбурга теперь разработали решение этой проблемы.

«Мы нейтрализуем электрическое поле, используя два отдельных тока в геометрии, которую мы называем многополюсным устройством Корбино», — объясняет Гулд. «Благодаря этому новому трюку сопротивление остается квантованным до h/e² вплоть до больших токов, что делает стандарт сопротивления, основанный на QAHE, более надежным».

На пути к практическому применению
В своем технико-экономическом обосновании исследователи смогли показать, что новый метод измерения работает на уровне точности, обеспечиваемом базовыми методами постоянного тока.

Их следующая цель — проверить осуществимость этого метода с использованием более точных метрологических инструментов. С этой целью группа из Вюрцбурга тесно сотрудничает с Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Немецкий национальный институт метрологии, PTB), который специализируется на такого рода сверхточных метрологических измерениях.

Гулд также отмечает: «Этот метод не ограничивается QAHE. Учитывая, что обычный квантовый эффект Холла испытывает аналогичные ограничения, вызванные электрическим полем, при достаточно больших токах, этот метод также может улучшить существующие современные метрологические стандарты для приложений, где еще большие токи полезны».