Dziedzictwo Edwina Halla
Strona
Abstrakt
Niewatpliwie kazdy młody adept nauk ûzycznych juz na poczatku swojej naukowej drogi styka sie z klasycznym efektem Halla. Co wiecej, kazdy z nas, w mniejszym badz wiekszym stopniu korzystajac ze zdobyczy techniki, czasem nawet nieswiadomie posługuje sie urzadzeniami, w których wykorzystuje sie to zjawisko. Mimo, ze od odkrycia klasycznego efektu Halla mineło ponad sto lat, zagadnienie to nie jest zamknietym rozdziałem na kartach historii fizyki, ale niezwykle płodna idea, która wciaz skutkuje opisem nowych pokrewnych zjawisk. Odkrywanie nowych efektów Halla na przestrzeni lat moze byc tez swego rodzaju znacznikiem postepu nauki w zakresie fizyki ciała stałego. Rozwijajaca sie w niewiarygodnym tempie mechanika kwantowa oraz mozliwosci technologiczne pozwalajace na wytwarzanie układów cienkowarstwowych zaowocowały miedzy innymi odkryciem kwantowego efektu Halla. Pogłebianie wiedzy z zakresu fizyki magnetyzmu, a w szczególnosci rozwój koncepcji spinu, umozliwiły wyjasnienie mikroskopowych mechanizmów prowadzacych do anomalnego efektu Halla i odkrycia spinowego efektu Halla. Wobec powyzszego nie dziwi fakt, ze współczesne trendy fizyki ciała stałego coraz czesciej zwracajace sie w strone topologii „dołozyły swoje trzy grosze” w postaci reinterpretacji anomalnego efektu Halla czy obserwacji nowych zjawisk, jak topologiczny czy nieliniowy efekt Halla. Zatem bez watpienia warto poznac historie i choc pokrótce przesledzic losy jednej z najbardziej owocnych koncepcji fizyki ciała stałego.
Celem tego artykułu jest nakreslenie wspomnianych efektów transportowych przy zachowaniu chronologii. W ich interpretacji posługuje sie głównie opisem półklasycznym, gdzie nosniki (elektrony) sa traktowane jako czastki podlegajace prawom mechaniki klasycznej. Tam, gdzie takie spojrzenie staje sie niewystarczajace, wprowadzam jedynie niezbedne pojecia z zakresu fizyki kwantowej i topologii, które sa kluczowe dla wyjasnienia efektów hallowskich opisanych w ostatnich latach.
Abstract
Undoubtedly, all students of physical sciences become acquainted with the classical Hall eòect at the very
beginning of their scientiûc path. Moreover, each of us uses the technology based on this phenomenon to a greater or lesser extent without even being aware of it. Although more than one hundred years passed since the experiment of Edwin Hall, the problem of the Hall effect is not a closed chapter in the history of physics. Instead, Hall eòects have become an extremely fertile idea yielding discoveries of new phenomena. One can say that the discoveries of new Hall effects have been over the years a kind of metric of scientiûc progress in solid-state physics.he fast development of quantum mechanics, as well as the technological progress, allowed for the fabrication of semiconducting thin ûlms and, among others, the discovery of the quantum Hall eòect. Advancement in the physics of magnetism, and spin physics, allowed to explain the microscopic mechanisms responsible for the anomalous Hall effect and the discovery of the spin Hall effect. It is also not surprising that in contemporary solid-state physics, strongly focusing on topological properties of solids, one can find the new members of the Hall eòect family, i.e., the topological and non-linear Hall effect. Hence, it is worth to briefly review one of the most fruitful concepts in solid-state physics.
This article aims to introduce the Hall effects while maintaining the chronology of their discovery. I mainly used a semiclassical picture, where carriers (electrons) are treated as particles governed by the laws of classical mechanics. I also introduced the necessary concepts of quantum physics and topology, which are crucial for explaining the Hall effects described in recent years.
