홀 효과를 간단히 애니메이션으로 나타낸 동영상(영어)
1 개요
도체 또는 반도체 내부에 흐르는 전하의 이동방향에 수직한 방향으로 자기장을 가하게 되면, 금속 내부에 전하 흐름에 수직한 방향으로 전위차가 형성되게 된다. 이러한 현상을 홀 현상이라고 하고, 그렇게 형성되는 전위차를 홀 전압이라고 한다.
당연한 이야기지만, 도체 또는 반도체 내부에서 움직이는 전하의 움직임, 즉 전류는 외부 자기장에 영향을 받게 된다. 이 때 자기장을 전류에 수직한 방향으로 가해주는 경우, (+) 전하와 (-) 전하는 자기장의 방향에 따라서 도체 또는 부도체의 좌우 양단으로 흩어지게 된다. 고등학교 물리 시간에 수직한 방향으로 가해지는 자기장 안에서 전하의 움직임을 생각하면 편하다.
그럼 도대체 이 놈이 뭐가 중요하냐? 라고 물을 수 있지만 이러한 현상을 통해서 당최 이 놈 안에서 어떤 극성의 전하가 지배적이냐?를 설명할 수 있는 실험이다. 쉽게 말해서 물체 내부의 전하의 극성과 밀도를 대략적으로 구할 수 있는 실험 중 하나라고 할 수 있다. 또한 위 현상은 반도체의 물성 실험을 할 때 중요한데, 통제된 환경 내에서 전하의 흐름을 얼마나 조절할 수 있는지가 중요한 반도체의 특성상 각 조건에 따라 홀 효과를 측정하여서 전하밀도를 비교한다.
2 양자 홀 효과
진짜 양자역학이나 재료역학을 배우게되면 별게 다 양자화되어 있구나라는 사실을 알게 된다.
양자 홀 효과는 2차원 표면에서 매우 낮은 온도와 강한 자기장 하에서는 홀 전도도가 양자화되는 현상을 일컫는 말이다. 위에서 설명했다시피 고전적인 홀 효과에서는 홀 현상에서의 홀 전도도가 전하밀도에 상관이 있었는데 극한적인 상황에서는 물질이고 뭐고 다 무시해버리고 특정 값의 정수배로 비례하는 일이 벌어지게 된다.
이는 자기전도도 텐서(magneto-conductivity tensor)에서 온도가 낮고 자기장이 큰 극한상황을 정의하다보면 자연스럽게 도출되는 결과인데, 보통 이러한 상황에서의 홀 비저항은 다음과 같다.
ρxy=ne2h
이거 하나로 Klitzing는 1985년 노벨 물리학상을 받았다
보통 이러한 홀 비저항의 n
(이런걸 Fractional quantum Hall effect라고 한다.)
2000년대 그래핀연구의 대폭발을 일으킨 실험 기법이기도 하다.
현재는 Fractional quantum Hall effect, Quantum anomalous Hall effect, Quantum Spin Hall Effect등의 방향의 연구가 활발하다.