平衡量子霍尔电阻提供了一种新的测量方法
到目前为止，零磁场量子反常霍尔效应只发生在非常低的电流下。这个设备可以改变这一点。图片来源：Kajetan Fijalkowski /JMU
维尔茨堡大学的研究人员开发了一种可以提高量子电阻标准性能的方法。它基于一种称为量子异常霍尔效应的量子现象。
电阻的精确测量在工业生产或电子产品中至关重要，例如，在高科技传感器、微芯片和飞行控制装置的制造中。“非常精确的测量在这里是必不可少的，因为即使是最小的偏差也会显着影响这些复杂系统，”维尔茨堡大学（JMU）拓扑绝缘体研究所的物理学家Charles Gould教授解释说。
“通过我们的新测量方法，我们可以利用量子反常霍尔效应（QAHE）显着提高电阻测量的精度，而无需任何外部磁场。
该研究发表在《自然电子学》杂志上。
新方法的工作原理
许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应：当电流流过导体并暴露在磁场中时，就会产生电压，即所谓的霍尔电压。通过将该电压除以电流获得的霍尔电阻随着磁场强度的增加而增加。
在薄层和足够大的磁场中，这种电阻开始发展出精确为 h/ne 的离散步长2，其中 h 是普朗克常数，e 是基本电荷，n 是整数。这被称为量子霍尔效应，因为电阻仅取决于自然界的基本常数（h 和 e），这使其成为理想的标准电阻器。
QAHE的特点是它允许量子霍尔效应存在于零磁场下。“在没有任何外部磁场的情况下进行操作不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量（千克）时也具有优势。要定义一公斤，必须同时测量电阻和电压，“Gould 说，”但测量电压只有在没有磁场的情况下才能工作，因此 QAHE 是理想的选择。
到目前为止，QAHE仅在电流下测量，而电流太低，无法实际计量使用。其原因是电场在更高的电流下会破坏 QAHE。维尔茨堡的物理学家现在已经开发出解决这个问题的方法。
“我们使用两个独立的电流来中和电场，我们称之为多端Corbino器件，”Gould解释道。“有了这个新技巧，电阻仍然量化为h/e2高达更大的电流，使基于QAHE的电阻标准更加稳健。
在实际应用的路上
在他们的可行性研究中，研究人员能够证明新的测量方法在基本直流技术提供的精度水平上工作。
他们的下一个目标是使用更精确的计量工具测试这种方法的可行性。为此，维尔茨堡集团正在与德国国家计量研究所（PTB）密切合作，后者专门从事这种超精密计量测量。
Gould还指出，“这种方法不仅限于QAHE。鉴于传统的量子霍尔效应在足够大的电流下会经历类似的电场驱动限制，这种方法还可以改进现有的最先进的计量标准，适用于更大的电流有用的应用。
更多信息：Kajetan M. Fijalkowski 等人，平衡量子霍尔电阻器，Nature Electronics （2024）。DOI： 10.1038/s41928-024-01156-6
期刊信息： Nature Electronics