Zweidimensionales Elektronengas

Der Begriff zweidimensionales Elektronengas (2DEG) bezeichnet die Ansammlung von Elektronen, die sich in einer zweidimensionalen Ebene innerhalb eines festen Materials bewegen. Elektronen können sich somit in dieser Ebene frei bewegen, während sie in der dritten Dimension entweder durch physikalische Barrieren oder durch ein starkes Magnetfeld eingeschränkt sind.

Sobald ein solches 2DEG einem starken senkrechten Magnetfeld ausgesetzt wird, kann ein Quanten-Hall-Effekt (QHE) auftreten. Das Magnetfeld spaltet dann die Energiebänder im Material auf und zwingt die Elektronen in diskrete quantisierte Energieniveaus. Wenn die Temperatur dabei nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten wird, füllen die Elektronen die niedrigsten Energieniveaus, die sogenannten „Landau-Niveaus“. Der Quanten-Hall-Effekt ist besonders bemerkenswert, da er zu einer außergewöhnlichen Quantisierung des elektrischen Widerstands führt.

Der Quanten-Hall-Effekt wird häufig durch seine Füllfaktoren charakterisiert, die das Verhältnis der Anzahl der Elektronen pro Landau-Niveau zur Anzahl der magnetischen Flussquanten im System angeben. Bei bestimmten Füllfaktoren nehmen die elektrischen Widerstände des 2DEG-Plateaus nur diskrete, quantisierte Werte an, was zu einer hohen Präzision bei der Widerstandsmessung führt.

In Quanten-Hall-Effekt-Sensoren werden diese quantisierten Werte des elektrischen Widerstands verwendet, um hochpräzise Messungen von Magnetfeldern durchzuführen. Wenn sich das Magnetfeld ändert, ändern sich auch die quantisierten Widerstandswerte, was zu einem charakteristischen Muster von Widerstandsänderungen führt. Dieses Muster wird gemessen und analysiert, um die Stärke des Magnetfeldes zu bestimmen.

Die Verwendung von 2DEG und dem Quanten-Hall-Effekt in Sensoren ermöglicht die Entwicklung extrem empfindlicher und genauer Magnetfeldsensoren. Diese Sensoren finden Anwendung in verschiedenen Bereichen wie der Materialcharakterisierung, Messtechnik, geophysikalischen Exploration und Magnetresonanztomographie (MRT) für die medizinische Bildgebung.