Quantum Hall Effect Sensoren
QHE-Sensoren, Spin-Hall-Effekt
Der "Quanten-Hall-Effekt" ist ein quantenmechanisches Phänomen, das in zweidimensionalen Elektronengasen in einem starken Magnetfeld auftritt.
Dieser Effekt ermöglicht es, die elektrische Leitfähigkeit in quantisierten Schritten zu messen, womit äußerst präzisen Messungen von elektrischen Widerständen und magnetischen Feldern möglich sind. Dazu wird eine Probe aus einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) hergestellt. Das 2DEG entsteht typischerweise in Halbleitermaterialien, insbesondere in sogenannten Halbleiter-Heterostrukturen. Eine Halbleiter-Heterostruktur ist ein Material, das aus verschiedenen Halbleiterschichten besteht, die jeweils unterschiedliche elektronische Eigenschaften haben. Wenn Elektronen in eine solche Heterostruktur eingebracht werden, können sie an der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Schichten "eingefangen" werden und sich nur noch in einer dünnen, zweidimensionalen Schicht bewegen. Diese Probe wird in einem starken magnetischen Feld gekühlt, um den Quanten-Hall-Effekt zu induzieren, bei dem es zu einer Quantisierung des elektrischen Widerstands kommt (in ganzzahlige Vielfache der sogenannten "von Klitzing-Konstante"). Der elektrische Widerstand der Probe wird gemessen, indem ein elektrischer Strom durch die Probe fließt und die Spannung über der Probe mit Hilfe von ADCs erfasst wird.
Da der Quanten-Hall-Effekt direkt von der Stärke des äußeren Magnetfelds abhängt, kann die Messung des elektrischen Widerstands auch zur präzisen Bestimmung der magnetischen Feldstärke verwendet werden.
Vorteile: Extrem präzise bei der Messung von elektrischen Widerständen und elektrischen Feldern.
Nachteile: Erfordert niedrige Temperaturen und spezielle Materialien. Anfällig für externe Störeinflüsse.
Anwendungsbereiche: Präzisionsmesstechnik, Metrologie, Materialforschung
The figure shows a Quantum Hall Effect chip from the manufacturer graphensic with a chip size of 3.5mm*3.5mm, on a 350 μm substrate (semi-insulating SiC with single-layer graphene), which can accommodate up to 9 Hall bars. The graphene, with correct tuning, allows to observe the quantum Hall effect at relatively low magnetic fields and high temperatures, here at T ≤ 4K, B ≥ 5T. Kind thanks to Amer Ali of graphensic for the permission to use this photo.