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.

[math]\rho_{xy}=n{e^2 \over h}[/math] , ([math]h[/math]는 플랑크 상수, [math]e[/math]는 기본 전하량)
이거 하나로 Klitzing는 1985년 노벨 물리학상을 받았다

보통 이러한 홀 비저항의 [math]n[/math]값은 정수를 갖지만 몇몇 특수한 물질은 정수가 아닌 분수값을 가지는 경우도 존재한다.
(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.