 |
|
|
| |
Elementaarne
kui mitteelementaarne
Jüri
Krustok (1955)
Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur |
|
| |
1998. aasta 978 000 dollari suurune Nobeli füüsikapreemia
läks jagamisele kolme USA teadlase vahel, kes avastasid
ning põhjendasid ka teoreetiliselt uut tüüpi nn. fraktsioonilise
Halli kvantefekti pooljuhtides. Need teadlased olid professorid
Robert Laughlin Stanfordi Ülikoolist, Horst Störmer Columbia
Ülikoolist ning Daniel Tsui Princetoni Ülikoolist.
Aparatuur, mida kasutatakse Halli efekti mõõtmiseks, on
tänapäevastes pooljuhtmaterjalide laboratooriumides sama
igapäevane, nagu seda on vaaderpass ehitusel. Vaevalt, et
ameerika füüsikatudeng Edwin Hall võis aastal 1879
uneski näha, et tema vastavastatud vaevumärgataval efektil
võivad tulevikus sellised tagajärjed olla. Aga nii see on.
Halli efekti kasutatakse nüüdisajal igas füüsikalaboratooriumis
pooljuhtide laengukandjate kontsentratsiooni ja liikuvuse
mõõtmiseks, kuid tema abil saadav informatsioon võib olla
hulga mahukam. Kuidas siis toimub Halli efekti mõõtmine?
Halli efekt
Kõigepealt oleks vaja meisterdada üks pisike tikutopsikujuline
pooljuhtmaterjali tükike. Kui see on tehtud, siis tuleks
ühendada vooluallikaga (olgu see kas või tavaline patarei)
meie "tikutopsi" need küljed, kust tikud koos sahtliga välja
käivad. Läbi pooljuhi kulgeb siis vool I. Voltmeetri ühendame
aga nende tahkudega, kus asetseb nn. väävel. Kui needki
ühendused on tehtud, siis edasi tuleks meil otsida üks hästi
võimas magnet ning asetada pooljuht magnetvälja nii, et
magnevälja jõujooned siseneksid "tikutoosi" etiketiga risti.
Nüüd hakkab voltmeeter näitama väikest pinget, mida nimetatakse
Halli pingeks UH . See pinge tekib elektronide
(ja aukude) kõrvalekaldumisest sirgjooneliselt teelt tugevas
magnetväljas, mistõttu osa neist satub ka "väävliga" tahkudele.
Mida rohkem on pooljuhis vabu laengukanjaid ja mida kergemini
nad saavad liikuda, seda suurem on ka Halli pinge. Koolist
tuntud Ohmi seaduse kohaselt peaks eksisteerima ka nn. Halli
takistus RH , sest I=UH/RH
. Mida tugevamasse magnetvälja me oma pooljuhi nüüd asetame,
seda suuremaks muutub tema RH. Vastavat sõltuvust
kujutab joonisel 1 toodud sirge.
Joon. 1. Halli takistuse RH sõltuvus magnetvälja
induktsioonist B. Tavalistes tingimustes kujutab see sõltuvus
endast sirget.
Kvantfüüsika sekkub mängu
Pooljuhtide tehnoloogia arenedes jõuti lõpuks ka niikaugele,
et osati valmistada üliõhukesi, vaid mõne aatomkihi paksusi
pooljuhtkilesid. Kui enne liikusid elektronid kogu pooljuhi
sisemuses, siis kusagil 1970. aastate lõpus hakati valmistama
struktuure, kus elektronid said liikuda vaid õhukeses pinnakihis.
Meie tikutoosimudelis täidaks sellise õhukese pinnakihi
osa siis etikett. Niisugune uus konstrueeritud struktuur
oleks nagu pooljuhi kahemõõtmeline analoog, milles aga ilmnesid
täiesti uued efektid. Uute efektide avastamiseks oli aga
kõigepealt vaja uuritav pooljuht viia ülimadalatele temperatuuridele,
mis olid vaid kraadi võrra kõrgemal absoluutsest nullist
(270 oC), ning rakendada ka ülitugevaid magnetvälju.
1980. aastal avastaski saksa füüsik Klaus von Klitzing,
et sellistes kahedimensionaalsetes süsteemides mõõdetud
Halli takistus RH ei muutu magnetväljast sugugi
mitte lineaarselt nagu joonisel 1, vaid astmeliselt, nagu
näidatud joonisel 2.
Joon. 2. Halli takistuse muutumine magnetväljas Klitzingi
katses (ülemine kõver). Alumine teravate tippudega graafik
kujutab endast tavalise oomilise takistuse sõltuvust ning
näitab, et astmete kohal kaob pooljuhi kihi takistus — ta
muutub ülijuhtivaks.
Igale astmele vastava takistuse Klitzingi saadud graafikul
võis arvutada lihtsa valemiga Ri = (h/e2)/i
, kus i on täisarv. Kuna nii Plancki konstant h kui ka elektroni
laeng e kuuluvad nn. fundamentaalsete konstantide hulka,
siis alates 1990. aastast kasutatakse takistuse uue etalonina
just takistust (h/e2)/4, mille nimeks sai igati
õigustatult 1 klitzing. Selle, nn. täisarvulise Halli kvantefekti
avastamine tõi Klitzingile 1985. aastal ka Nobeli preemia.
Astmete tekkimine Klitzingi katses oli kindel märk elektronide
kvantomaduste esilekerkimisest kahemõõtmelises pooljuhi
kihis ning teoreetikutel polnud kuigi raske neid ka põhjendada.
Sellises kihis käitusid kõik elektronid iseseisvalt nagu
solistid ooperis. Äkki on aga võimalik kõik elektronid kahemõõtmelises
kihis kooris tegutsema panna? Mis siis saab?
Kollektiivsed elektronid
Klitzingi avastuse mõjul hakkasid Horst Störmer ja
Daniel Tsui kuulsas Belli Laboratooriumis USAs samuti
katsetama ülipuhaste pooljuhtkiledega. Vaid vähesed oskasid
nende uuringute jaoks kasvatada vajalikke kilesid, kuna
Belli füüsikute nõudmised olid tõepoolest suured. Läks aega
mis läks, kuid lõpuks suutis A. Gossard ahnete füüsikute
palve täita. Tulemus aga üllatas kõiki, sest vastupidiselt
ootustele avastasid Störmer ja Tsui Halli takistuse sõltuvustel
magnetväljast täisarvuliste astmetele lisaks ka uued, murdarvulised
astmed. Eriti tugevasti avaldus aste seal, kus i=1/3, kuid
esindatud olid ka paljud muud murdarvud, nagu näiteks 2/5,
3/7 jne. Joonisel 3 ongi toodud nende eksperimendi tulemused.
Nagu näha, murdarvuliste astmete avastamiseks tuli kasutada
veelgi võimsamaid magnetvälju.
Joon. 3. Halli takistuse sõltuvus magnetväljast Störmeri
ja Tsui katses.
Oli aasta 1982. Mitte keegi ei osanud seletada, kust järsku
ilmusid need murdarvulised numbrid. Esialgu hakatigi avastatud
nähtust nimetama anomaalseks Halli kvantefektiks. Läks umbes
aasta, kuni tollane, samuti Belli teoreetik Robert Laughlin
pakkus välja täiesti uue lahenduse kolleegide ootamatute
tulemuste seletamiseks. Laughlin loobus "solistidest" elektronide
ideest ning näitas, et madalatel temperatuuridel kahedimensionaalses
pooljuhikiles käituvad elektronid nagu omapärane vedelik.
Seega kaotavad elektronid oma individuaalsuse ning hakkavad
tegutsema kui ühtne "koor". Nagu selgus, oli selline "koor"
võimeline sünnitama kvaasiosakesi, millede laeng oli väiksem
kui üldtunnustatud elektroni elementaarlaeng. Kui nii, siis
pidid need elementaarlaengust väiksema laenguga osakesed
avalduma ka muudes eksperimentides. Ja tõepoolest, 1995.
aastal avastati USAs murdarvulise laenguga virtuaalsed osakesed,
mis tekivad elektronide ja aukude koosmõjul. 1997. aastal
tegid samasuguse avastuse ka Israeli ning Prantsusmaa füüsikud.
Sellega oli lõplikult tõestatud Laughlini teooria õigsus.
Tsui, Störmeri ja Laughlini fraktsioonilise Halli efekti
alased tööd on leidnud tunnustust kogu maailmas. Mitte alusetult
on nad kõik maailma viimase aja 400 enim tsiteeritud füüsiku
hulgas. Eesti füüsikuid pole kahjuks jõudnud isegi mitte
1000 enimtsiteeritu hulka, kuid aega ju veel on.
Lugejat huvitab kindlasti ka see, mida tema sellest
avastusest kasu saab. Kannatust tuleb varuda palju, sest
esialgu ei hakka ei raadiod pilti näitama ega sulepead rääkima.
Läheb kindlasti aastaid, enne kui otsekui märkamatult ilmuvad
meie ellu täiesti uued asjad. Ehk siis meenutab tänutundega
veel keegi ka aastat 1998 ning fraktsioonilise Halli kvantefekti
avastajate pärjamist Nobeli preemiaga.
tagasi esilehele ...
|
|
|