Dziedzictwo Edwina Halla

• Autorzy: Krzyżewska Anna
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niewątpliwie każdy młody adept nauk fizycznych już na początku swojej naukowej drogi styka się z klasycznym efektem Halla. Co więcej, każdy z nas, w mniejszym bądź większym stopniu korzystając ze zdobyczy techniki, czasem nawet nieświadomie posługuje się urządzeniami, w których wykorzystuje się to zjawisko. Mimo, że od odkrycia klasycznego efektu Halla minęło ponad sto lat, zagadnienie to nie jest zamkniętym rozdziałem na kartach historii fizyki, ale niezwykle płodną ideą, która wciąż skutkuje opisem nowych pokrewnych zjawisk. Odkrywanie nowych efektów Halla na przestrzeni lat może być też swego rodzaju znacznikiem postępu nauki w zakresie fizyki ciała stałego. Rozwijająca się w niewiarygodnym tempie mechanika kwantowa oraz możliwości technologiczne pozwalające na wytwarzanie układów cienkowarstwowych zaowocowały między innymi odkryciem kwantowego efektu Halla. Pogłębianie wiedzy z zakresu fizyki magnetyzmu, a w szczególności rozwój koncepcji spinu, umożliwiły wyjaśnienie mikroskopowych mechanizmów prowadzących do anomalnego efektu Halla [12, 15] i odkrycia spinowego efektu Halla [17, 18]. Wobec powyższego nie dziwi fakt, że współczesne trendy fizyki ciała stałego coraz częściej zwracające się w stronę topologii „dołożyły swoje trzy grosze” w postaci reinterpretacji anomalnego efektu Halla czy obserwacji nowych zjawisk, jak topologiczny czy nieliniowy efekt Halla. Zatem bez wątpienia warto poznać historię i choć pokrótce prześledzić losy jednej z najbardziej owocnych koncepcji fizyki ciała stałego. Celem tego artykułu jest nakreślenie wspomnianych efektów transportowych przy zachowaniu chronologii. W ich interpretacji posługuję się głównie opisem półklasycznym, gdzie nośniki (elektrony) są traktowane jako cząstki podlegające prawom mechaniki klasycznej. Tam, gdzie takie spojrzenie staje się niewystarczające, wprowadzam jedynie niezbędne pojęcia z zakresu fizyki kwantowej i topologii, które są kluczowe dla wyjaśnienia efektów hallowskich opisanych w ostatnich latach.

EN

Undoubtedly, all students of physical sciences become acquainted with the classical Hall eòect at the very beginning of their scientiffic 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 effects have become an extremely fertile idea yielding discoveries of new phenomena. One can say that the discoveries of new Hall eòects 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 films and, among others, the discovery of the quantum Hall effect. Advancement in the physics of magnetism, and spin physics, allowed to explain the microscopic mechanisms responsible for the anomalous Hall effect [12, 15] and the discovery of the spin Hall eòect [17, 18]. 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 effect family, i.e., the topological and non-linear Hall effect. Hence, it is worth to briey review one of the most fruitful concepts in solid-state physics. his 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.

Słowa kluczowe

PL

klasyczny efekt Halla; kwantowy efekt Halla; anomalny efekt Halla; spinowy efekt Halla; nieliniowy efekt Halla; spin; oddziaływanie spin–orbita; faza Berry’ego; niezmiennik topologiczny

EN

classical Hall effect; quantum Hall effect; spin Hall effect; spin; spin–orbit interaction; Berry phase; topological invariant

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Fizyczne
• Czasopismo: Postępy Fizyki
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 72, z. 1
• Strony: 16--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Krzyżewska Anna

• Instytut Spintroniki i Informacji Kwantowej ISQI, Wydział Fizyki, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

• https://orcid.org/0000-0002-0569-780X

Bibliografia

• [1] E. Hall, On a NewAction of the Magnet on Electric Currents, Am. J. Math. 2, pp. 287–292 (1879).
• [2] G. S. Leadstone, he discovery of Hall effect, Phys. Educ. 14, 374 (1979).
• [3] J. Doliński, Czujniki Halla — pomiary pola magnetycznego i detekcja położenia obiektów, https: //elektronikab2b.pl (2017), [dostęp 22.03.2020].
• [4] K. von Klitzing, he Quantized Hall Eòect, Nobel Lecture (1985); 25 Years of Quantum Hall Effect (QHE). A Personal View on the Discovery. Physics and Applications of this Quantum Effect, Séminaire Poincaré 2, (2004).
• [5] K. I. Wysokiński, T. Dietl, Całkowity i ułamkowy kwantowy efekt Halla, Postępy Fizyki 36, 515, (1985).
• [6] T. Ando i in., Theory of Hall Effect in a Two Dimensional Electron System, J. Phys. Soc. Jpn. 39, 279 (1975) .
• [7] K. von Klitzing i in., New Method for High Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980) .
• [8] H. L. Störmer, Nobel Lecture: he fractional quantum Hall eòect, Rev. Mod. Phys. 71, 875 (1999).
• [9] List of unsolved problems in physics, https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics, [dostęp 05.04.2020].
• [10] K. Novoselov i in., Room-temperature quantumHall effect in graphene, Science 315, 1379 (2007).
• [11] E. Hall, XVIII. On the “Rotational Coeficient” innickel and cobalt. London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 12 (74), 157–172 (1881).
• [12] R. Karplus, J. M. Luttinger, Hall Eòect in Ferromagnetics, Phys. Rev. 95, 1154 (1954).
• [13] J. Smit, he spontaneous Hall eòect in ferromagnetics, Physica 21, 877 (1955); Physica 24, 39 (1958).
• [14] L. Berger, Side-Jump Mechanism for the Hall Effect of Ferromagnets, Phys. Rev. B 2, 4559 (1970).
• [15] V. Zayets, Anomalous Hall effect (AHE), https://staò.aist.go.jp/v.zayets/spin3_50_AnomalousHall.html, [dostęp 19.10.2020].
• [16] M. Dyakonov, V. Perel, Possibility of orienting electron spins with current, Sov. Phys. JETP Lett. 13, 11 (1971); Current-induced spin orientation of electrons in semiconductors, Phys. Lett. A 35, 6 (1971).
• [17] J. Hirsch, Spin Hall Effect, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999).
• [18] V. Zayets, Spin Hall effect. Inverse spin Halleffect, https://staò.aist.go.jp/v.zayets/spin3_42_SpinHallEòect.html, [dostęp 19.10.2020].
• [19] Y. Kato i in., Observation of the Spin Hall Effect in Semiconductors, Science, 306, 5703 (2004);J. Wunderlich i in., Experimental Observation of the SpinHall Effect in a Two-Dimensional Spin-Orbit Coupled Semiconductor System, Phys. Rev. Lett. 94, 4 (2005) .
• [20] E. Saitoh i in., Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse spinHall effect, Appl. Phys. Lett. 88, 182509 (2006).
• [21] S. Valenzuela, M. Tinkham, Direct electronic measurement of the spin Hall effect, Nature 442, 176 (2006).
• [22] J. Balakrishnan i in., Colossal enhancement of spin–orbit coupling in weakly hydrogenated graphene, Nat. Phys. 9, 284 (2013); A. Avsar i in., Spin–orbit proximity effect in graphene, Nat. Commun. 5, 1 (2014) .
• [23] J. Wunderlich i in., Spin Hall Effect Transistor, Science 330, 1801 (2010).
• [24] Nobel Prize in Physics 2016, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2016, [dostęp:10.04.2020].
• [25] Ł. Cywiński, T. Dietl, Izolatory topologiczne —niespodzianki ukryte w strukturze pasmowej izolatorów, Postępy Fizyki 61, 4 (2010).
• [26] A. Neubauer i in., Topological Hall Effect in the A Phase of MnSi, Phys. Rev. Lett. 102, 186602 (2009).
• [27] I. Sodemann, L. Fu, Quantum nonlinear Hall effect induced by Berry curvature dipole in timereversal invariant materials, Phys. Rev. Lett. 115, 216806 (2015).
• [28] K. Kang i in., Nonlinear anomalous Hall eòect in few-layer WTe2, Nat. Mater. 18, 324 (2019); Q. Ma i in., Observation of the nonlinear Hall eòect under time-reversal-symmetric conditions. Nature 565, 337 (2019); P. He i in., Nonlinear Planar Hall Effect, Phys. Rev. Lett. 123, 016801 (2019).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).