每一個有物理常識的學生都知道,物體要沿著曲線運動,就必須有向心力的作用。
電子也遵循同樣的規律,所以當電流流過一根彎曲的導線時,一定有什麼東西在提供這種力。從邏輯上講,力來自於一個徑向電場,這就會讓電荷在導線中橫向電荷分離。但是這種電荷結構看起來很像霍爾效應,在霍爾效應中,磁場將移動的電荷轉移到載流導線的一側。
這種情況提出這個問題:在沒有磁場的情況下,導體能產生霍爾電壓嗎?
在回答這個問題前我們先回顧一下霍爾效應。
霍爾效應是電磁效應的一種,這一現象是美國物理學家霍爾於1879年在研究金屬的導電機制時發現的。 當電流垂直於外磁場通過導體時,載流子發生偏轉,垂直於電流和磁場的方向會產生一附加電場,從而在導體的兩端產生電勢差,這一現象就是霍爾效應,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應使用左手定則判斷。
可以看出來,要想讓導體中的電子發生偏轉就必須要外加磁場。除此之外就沒有其他辦法讓導體中的電子走彎路麼?
把導線彎曲,就可以讓導線產生橫向電壓
芝加哥大學的尼古拉斯·謝德、大衛·舒斯特爾和西德尼·內格爾現在已經證明,把導線彎曲,就可以讓導線產生橫向電壓,這很像霍爾效應。研究人員把一段石墨烯彎曲,然後測量了安裝在摻雜矽襯底上的彎曲石墨烯導線的內外邊緣之間的電壓,在石墨烯的上下邊緣安裝了兩個探針來測量電壓的大小。
奇蹟發生了!在沒有外加電場的情況下,石墨烯導線在僅僅彎曲的情況下就產生了電壓。通過數據測量,發現橫向電壓對電流呈二次依賴關係,這正符合純粹的幾何效應,而不是傳統的霍爾效應的線性關係。而且彎曲石墨烯導線產生的電壓效果十分明顯,電壓測量發現通過導線的最大電流產生了0.5 mv的橫向電壓。
由於這種現象與霍爾效應十分相似,但是霍爾效應需要外加磁場才能產生,而石墨烯只需要彎曲這種幾何動作就能做到,於是就形象給這個彎曲產生橫向電壓的現象取名為幾何霍爾效應。
由幾何霍爾效應產生的橫向電壓自然就稱為幾何霍爾電壓,幾何霍爾電壓應該作為表示電荷載體的符號。石墨烯很適合證明這種對應關係,因為它很容易調整電荷-載流子符號。當費米能級高於狄拉克點時,它是負的,當它們相反時,它是正的。通過施加外部電壓,研究人員不斷改變費米能級,並確認橫向電壓改變了符號。
彎曲的導線能產生橫向電壓,那麼直導線是否也有幾何霍爾效呢?
作為對電壓幾何原點的另一種檢驗,研究人員同時測量了與曲線相鄰的直線段導線的橫向電壓。令人驚訝的是,他們發現儘管直線段的電壓始終小於曲線段,但它也非零。這一意外的電壓是由導電電子的曲折路徑引起的。即使導線不改變其方向,電子也會沿著阻力最小的複雜路徑運動。
幾何霍爾效應可以幫助研究人員更容易地測量石墨烯中載流子的有效質量。此外,由於它不依賴於磁場,這種效應可以用來描述體積超導體中的電荷載流子。由於幾何霍爾效應不依賴磁場,那麼有可能在更廣闊的領域中發揮作用。