如何用通俗易懂的方式解释量子霍尔效应?

这么意思的题竟然没人答吗?来,先答一发为敬了!这是一个非常好玩的物理现象。我们假设在一小片二维世界里,一个小电子沿着直线在孤独的行走着。见它这么孤独,不调戏下它,简直天理难容。于是,我平行与这个二维世界施加了一个垂直的磁场。孤独的小电子立刻迷了路,跑到了“世界”的一边,试想一下,如果此时有好多电子一起路过这个“二维世界”,那它们也会跟这个小电子一样,全都迷迷糊糊跑到小板的一侧(右侧),大量负电子集中于右侧,会发生什么呢?它当然会对于左侧形成了一个电压。

就是霍尔效应!霍尔效应其实就在你的手机里,你手机里有个霍尔传感器,就是靠它,凭借电流和地球磁场的关系,你的手机才知道那里是东西南北的哦!是不是瞬间对你的手机肃然起敬了!让我们继续使坏,增强磁场。更奇怪的事情发生了,小电子们就像是喝醉了一样,糊里糊涂绕圈转了起来。继续加大磁场,更加诡异了,电子们竟然自己建造了一个“太阳系”,能量高的在外边转,低的在里边。

如果在增大一些磁场,更多的“小太阳系”(学名:磁通)诞生出来。这样的后果是什么呢?因为电子都在自己绕圈,流经这里的电荷都被“锁”住了,于是,这个二维小板成了一个绝缘体,不导电了。等一下,它还是会导电的!就像下图一样,在这块小板板的边缘,电子们沿着边缘,做着半圆周运动,就这样把电流送了出去,而板板中央则彻底绝缘了!说到这里,量子霍尔效应的入门就解释清楚了。

可能要问,这只是二维世界,可我们的世界是三维世界啊,三维概念里是不是也有量子霍尔效应呢?当然!这还是咱们中国人首次发现的。三维空间的量子霍尔效应,形象地来说是下面这样的,能看得懂不?再来个大白话的比喻吧。这就好像是一个房子,那些迷糊的电子住在里边,它会沿着房子的边缘,划着半圆,从地板瞬间钻上天花板,然后再跳回来,如此往复。


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