Czy kwantowy efekt Halla odkryto w Grenoble?

Efekt Halla w jednym akapicie

Przepuśćmy prąd przez cienki pasek przewodnika i umieśćmy go w polu magnetycznym prostopadłym do paska. Pole spycha poruszające się ładunki w bok, więc w poprzek paska pojawia się niewielkie napięcie. To efekt Halla. Jeśli to poprzeczne napięcie podzielimy przez natężenie prądu, dostaniemy opór Halla. W zwykłych warunkach rośnie on równomiernie wraz z natężeniem pola.

Co wydarzyło się w Grenoble

W Grenoble było to, czego von Klitzing potrzebował: bardzo silne pola magnetyczne. Laboratorium wyrosło z badań nad magnetyzmem Louisa Néela; w 1970 roku stało się krajowym ośrodkiem silnych pól magnetycznych, od 1972 roku współpracowało z Instytutem Maxa Plancka Badań Ciała Stałego w Stuttgarcie, a w 1974 roku jego moc elektryczną zwiększono do 10 megawatów. Fundacja Nobla nazywa je po prostu laboratorium silnych pól magnetycznych w Grenoble.

Według historii LNCMI, krajowego laboratorium silnych pól magnetycznych, które dziś prowadzi to miejsce, von Klitzing odkrył efekt w nocy z 4 na 5 lutego 1980 roku. Także mowa podczas wręczenia Nagrody Nobla umieszcza jego pracę nad efektem Halla w Grenoble w lutym 1980 roku.

Próbkami były krzemowe tranzystory typu MOSFET, w których elektrony przewodzące prąd są uwięzione w niezwykle cienkiej, w praktyce dwuwymiarowej warstwie. Artykuł, który opublikował potem z Gerhardem Dordą z firmy Siemens i Michaelem Pepperem z Laboratorium Cavendisha w Cambridge, opisuje pomiary w polu 18 tesli w temperaturze 1,5 kelwina, czyli zaledwie półtora stopnia powyżej zera bezwzględnego.

Co zobaczył: płaskie stopnie

W tych warunkach opór Halla nie rósł płynnie. Wspinał się schodkami, z płaskimi odcinkami – plateau – na których prawie się nie zmieniał. Dla jednego z nich artykuł podaje 6453,22 ± 0,10 oma jako średnią ze wszystkich zmierzonych próbek, a wartość nie zależała od rozmiarów ani kształtu przyrządu.

To było najbardziej niezwykłe. Fundacja Nobla wyjaśnia, że stopnie odpowiadają całkowitym wielokrotnościom kombinacji dwóch stałych podstawowych: ładunku elektronu e i stałej Plancka h. Opór, który zależy tylko od stałych przyrody, a nie od materiału czy jego niedoskonałości, można zmierzyć w dowolnym miejscu i spodziewać się tego samego wyniku.

Artykuł zatytułowany „New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance” („Nowa metoda bardzo dokładnego wyznaczania stałej struktury subtelnej oparta na skwantowanym oporze Halla”) wpłynął do redakcji Physical Review Letters 30 maja 1980 roku i ukazał się 11 sierpnia 1980 roku. Jak widać z tytułu, autorzy przedstawili go najpierw jako sposób na precyzyjny pomiar jednej ze stałych podstawowych.

Nagroda Nobla z 1985 roku

16 października 1985 roku Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła, że Nagrodę Nobla z fizyki otrzymuje sam von Klitzing, „za odkrycie skwantowanego efektu Halla”. Komunikat podkreślał precyzję: plateau odbiegają od wartości całkowitych o mniej niż jedną dziesięciomilionową. Oznaczało to – jak pisano – że efekt może służyć jako wzorzec oporu elektrycznego, a krajowe laboratoria metrologiczne w kilku państwach już to badały.

Z Grenoble do definicji oma

Tak też się stało. W 1988 roku Międzynarodowy Komitet Miar przyjął umowną wartość stałej von Klitzinga R_K = h/e²: dokładnie 25 812,807 oma, oznaczaną R_K-90, do stosowania od 1 stycznia 1990 roku, „i nie wcześniej”. Od tego dnia laboratoria na całym świecie dostosowały do niej swoje wzorce odniesienia. Plateau zmierzone przez von Klitzinga w Grenoble to jedna czwarta tej wartości.

Był jednak haczyk. Jak wyjaśnia niemiecki krajowy instytut metrologiczny PTB, wartość z 1990 roku była umową, która nie pasowała do układu SI. Zmieniło się to 20 maja 2019 roku, gdy weszła w życie nowa wersja SI ze stałymi, dokładnymi wartościami stałej Plancka i ładunku elementarnego. Od tej pory stała von Klitzinga wynika wprost z nich, a rezystory kwantowo-hallowskie realizują oma w samym układzie SI. Jak działa nowy SI, wyjaśnia nasz serwis siostrzany sevres.science.

Dlaczego to historia z Grenoble

Precyzyjna odpowiedź na pytanie z tytułu brzmi więc tak: efekt odkryto w Grenoble, odkrył go naukowiec z Würzburga w laboratorium prowadzonym z niemieckimi partnerami, a opisał z autorami z Niemiec i Wielkiej Brytanii. Taka mieszanka jest typowa dla Grenoble, gdzie międzynarodowa współpraca przy wielkich instrumentach to norma, co widać po ESRF i ILL. Laboratorium silnych pól nadal tam działa: w 2009 roku połączyło się z laboratorium pól impulsowych w Tuluzie w LNCMI, a jego nowy hybrydowy magnes 43-teslowy, którego budowę wznowiono w 2011 roku, ukończono w 2024 roku.

Szerszą tradycję magnetyzmu i fizyki w mieście, od Louisa Néela po wielkie maszyny, opisuje strona Miasto i region. Inną stronę fizyki w Grenoble pokazuje artykuł Po co w Grenoble reaktor jądrowy, który nie produkuje prądu?