從三維量子霍爾效應被發現談霍爾效應的應用

據央視報導，今2018年12月18日，英國《自然》雜誌將發布復旦大學修發賢課題組的最新研究成果，《基於砷化鎘外軌道的量子霍爾效應為》。據說這是中國科學家第一次在三維空間發現量子霍爾效應。

《自然》（nature）雜誌是世界歷史上最悠久最著名的科學雜誌之一。在幾乎所有的科學研究領域中，最重要最前沿的成果，都會以短通訊的形式發表在《自然》雜誌上。

修發賢課題組能把成果發表在《自然》雜誌上，是一件很了不起的成就，也是國際科學界對中國科學家學術成果的高度肯定。霍爾效應是運動的電子在磁場中受洛侖茲力作用偏轉，因而產生的垂直於電子運動方向的電勢差。

其產生原因是當帶電粒子被束縛在固體材料中，這種偏位移引起正交於電流方向上產生正負電荷的累積，從而產生額外的橫向電場，即所謂霍爾電勢。霍爾效應聽起來很陌生，但是在日常生活中卻廣泛的應用了。

我們中國人每天都在和霍爾效應打交道。可以這麼說，中國人是和握著霍爾效應前進的。

中國曾經被譽為自行車上的王國。在改開40年後，中國人仍然沒有放棄兩輪的交通工具。現在中國老百姓使用最多最頻繁的交通工具，是兩輪的電動自行車。2017年我國生產了3113萬輛電動自行車。

控制電動車行進速度的轉把，用的就是霍爾效應。可以稱為霍爾效應調速器。

這位同學就是霍爾效應的發現者，美國科學家E.H.Hall。

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為了大家都有電瓶車騎，我們要紀念一下E.H.Hall。

可以用一個簡單的實驗加深對霍爾效應的理解。

方法如下:

把微波爐燒烤用的錫箔紙裁成20公分寬，100公分長的一條。一節乾電池的正負極用電線分別接在錫箔紙的長端。用一個比較精密的電壓表，可以測得錫箔紙短邊兩端有電壓差。霍爾是在1879年發現的霍爾效應。

要補充的是，霍爾發現霍爾效應的時候電子尚未被發現，電子是在1897年湯姆遜發現的。所以霍爾當時只能測量到導體兩端的電壓差，而不能測量到電子的偏轉。

但是霍爾效應的大規模商業化應用，是在相應的材料成熟以後。製造霍爾效應傳感器需要高強度永磁體，以及可在低電壓下工作的電晶體。下面圖片裡的這些，有三個長金屬腳的就是霍爾傳感器。

霍爾傳感器對磁場敏感，但是結構很簡單，體積也很小，頻率響應寬。同時同時霍爾傳感器還有寬泛的電壓輸出範圍，和較長的使用壽命的優點。能把應用霍爾效應這麼高大上原理製造出來的元器件做到如此低廉的價格，也只有咱們中國能辦到了。

這才有了我們廉價便捷的交通工具「電瓶車」。拆開一個電瓶車的電機，就能看到霍爾元件的蹤跡。

所以沒有霍爾元件就沒有我們廉價便捷的交通工具「電瓶車」。

汽車品牌「特斯拉」就是以交流電的發現者尼古拉·特斯拉命名的。期待中國出現一個以霍爾效應發現者E.H.Hall命名的電動兩輪車品牌。

用一句話來總結霍爾效應主要應用，就是應用在速度和加速度的測量和控制上。

有一個火爆的系列電影叫做《速度與激情》。

《速度與激情》裡最重要的道具就是各種型號的汽車。談到速度與加速度，就不能不談汽車。霍爾傳感器已經在汽車行業大規模應用了。

一維的霍爾元件可以採集垂直於汽車元器件表面的噪聲和磁場變化。二為霍爾元件，可以測量發動機的轉速，車輪的轉速以及方向位移。三維霍爾元件可以測量汽車在行駛中的振動以及避震系統的行程。霍爾元件採集的車輛運行狀況數據，會直觀顯示在汽車的儀錶盤上。

汽車裡的防抱死制動系統，abs以及驅動防滑磚，控制asr，4輪驅動帶電子穩定性程序esp，都依賴霍爾效應傳感器工作。而且隨著科技的進步，汽車的自動化程度越來越高，霍爾元件的應用也會越來越廣泛。正是有了霍爾傳感器，我們才可以在速度與激情之間操控自如。

以前的實驗，都只是觀察到在二維或者是準二維中發生的量子霍爾效應。而修發賢課題組觀察到了新的三維量子霍爾效應的直接證據。在三維系統中，材料上表面邊緣的電子通過強磁場直接從內部隧穿到下表面，然後繼續沿軌道移動。

我們也期待這種新的科學發現，會在我們日常的生活中給我們帶來更多的便利，和新的科技產品。