Способ определения квантового сопротивления холла

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в метрологии для воспроизведения значения квантового сопротивления Холла, а также в экспериментальной физике. Целью изобретения является повышение точности способа определения квантового сопротивления Холла. По данному способу через канал 1 преобразователя Холла с двумерным электронным газом между токовыми электродами 2 пропускают транспортный ток заряженных частиц - носителей. Преобразователь Холла помещают в перпендикулярное магнитное поле. Между холловскими электродами 3,4,5 и 6,7,8 индуцируется электродвижущая сила Холла. При этом на электродах 4 и 7 значение холловской ЭДС будет в два раза больше, чем при однократном прохождении носителей. Способ позволяет уменьшить влияние термоЭДС и повысить точность измерений квантового сопротивления Холла в 1,5 - 2 раза по сравнению с известными техническими решениями. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (5))4 G 01 R 17 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ мд мВ фиа 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4334159/24-21 (22) 27.11.87 (46) 15.10.89. Бюл..¹ 38 (72) А,В.Плоыинский, Ю.П.Семенов и И.В, Хахамов (53) 621.317.02 (088,8) (56) Сборник статей, Выл,12, Квантовый эффект Холла. — Новости физики твердого тела ° M. 11ир, 1986, с.1824.

К.фон. KJIHTIJHHr. Квантованный эффект Холла. — Успехи физических наук. 1986, т. 150, вып.l. с. 107-.

126.

2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ ХОЛЛА (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в метрологии для воспроизведения значения квантового сопротивления Холла, а также в экспериментальной физике. Целью изобретения является повьппение точности способа определения квантового сопротивления Холла. По данному способу через канал 1 преобразователя Холла с двумерным электронным газом между

3 1515115 токовыми электродами 2 пропускают транспортный ток заряженных частицносителей. Преобразователь Холла помещают в перпендикулярное магнит5 ное поле,. Между xoлловскими электро дами 3 4, 5 и 6, 7, 8 индуцируется электродвижущая сила Холла. При этом на электродах 4 и 7 значение холловской ЭДС будет в два раза больше, чем при однократном прохождении носителей ° Способ позволяет уменьшить влияние термоЭДС и повысить точность измерений квантового сопротивления

Холла в 1,5-2 раза по сравнению с известными техническими решениями.

3 ил, Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в метрологии для воспроизведения значения квантового сопротивления Холла (КСХ вЂ” общепринятое сокращение), а также в экспериментальной физике для уточнения значений фундаментальных физических констант на основе макроскопических квантовых эффектов.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг.1 представлены линии тока и эквипотенциалы в области канала квантового холловскэго преобразователя при выведении тока из канала и повторном его инжектировании, на фиг.2 — то же, при однократном прохождении носителями канала; на фиг.3 — схема устройства для измерения КСХ.

По предлагаемому способу (фиг.1) через канал 1 холловского преобразователя с двумерным электронным газом (2МЭГ) между токовыми электродами 2 пропускается транспортный ток заряженных носителей (например, от внешнего источника тока). Холловский преобразователь помещен в перпендикулярное магнитное поле °

Между холловскими электродами 3-5 и 6-8 индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Холла.

После прохождения носителями заряда сечения канала 1 в области расположения измерительных электродов

4, 7 транспортный ток выводится из канала в месте расположения электрода 5 на боковой грани канала 1.

Этот ток инжектируется повторно в канал 1 в области электрода 6 на противоположной боковой грани канала 1 до сечения 4,7.

Таким образом, через сечение канала 1 в месте расположения хол15

4О

55 ловских измерительных электродов

4, 7 один и тот же транспортный ток заряженных носителей проходит два раза, что приводит к возникновению на измерительных электродах

4, 7 холловской ЭДС, значение которой ровно в два раза больше, чем при однократном прохождении носителей, Вывод и инжекция тока через боковые грани канала может осуществляться при температуре жидкого гелия, поэтому значение термоЭДС в цепи измерительных электродов не меняется. Это в два раза снижает погрешность, обусловленную влиянием термоЭДС на результат измерения.

Инжекция и вывод тока из канала через боковые грани могут быть осуществлены, например, введением сверхпроводящей перемычки между электро— дами 5 и 6. Поскольку между противоположными боковыми гранями преобразователя (при отсутствии укаэанной перемычки, см. фиг,2) существует ЭДС

Холла, то закорачивание электродов

5 и 6 приводит к протеканию тока между ними, Распределение силовых линий вектора плотности тока в проводящей среде подчиняется уравнениям

Максвелла, поэтому дивергенция вектора плотности тока равна нулю, т.е. силовые линии тока Не могут пересекаться. Это означает, что весь транспортный ток выходит из канала 1 через электрод 5, а весь ток, инжектированный в канал 1 через электрод 6, достигает токового электрода 2. По этой же причине не может протекать ток носителей в канале 1 между электродами 6 и 5, Следова гельно, в 2МЭГ канала 1 образуются две независимые области с транспортным током носителей, имеющим одно и то же значение, приводящие к удваеник значения холловской ЭДС.

15l 1S 6

Через преобразователь пропускали транспортный ток 5 мкА от ртутных элементов. Выход на режим квантования осуществляли, регулируя напряжение затвора по минимуму продольного напряжения. В эксперименте осуществлялась настройка на плато, соответствующее четырем заполненным уровням

lð Ландау.

Испытания макета показали, что при,выводе тока через боковую грань канала и его повторной инжекции через противоположную боковую грань происходит удвоение ЭДС Холла с высокой точностью. Разность значений КСХ беэ инжекции и с инжекцией носителей (при учете половинного значения КСХ) не превосходила 1 10, т.е. лежала

2Р в пределах погрешности измерительного эксперимента, Таким образом, вывод транспортного тока из области канала через боковую грань после прохождения носителя25 ми области сечения с холловскими

5 l5

На фиг,l условно показано направФ ление вектора магнитной индукции В.

При изменении направления магнитного поля вывод транспортного тока из канала 1 необходимо осуществлять уже не с электрода 5, а с электрода 8, т.е. в соответствии с направлением смещения заряженных носителей к боковой грани канала 1, согласно направлению вектора напряженности попе речного электрического поля, определяемого векторным произведением скорости носителей и индукции магнитного поля. В этом случае выведенный через электрод 8 ток нужно ввести в канал

1 через контакт 3, а электроды 5 и 6 должны быть разомкнуты.

Выход на режим квантования преобразователя осуществляется по минимуму падения напряжения внутри канала в продольном направлении. Для этого можно испольэовать электроды

3, 4 или 7, 8, Схема устройства для измерения КСХ (фиг.3) не меняется.

Однако, поскольку ЭДС преобразователя увеличена в два раза по сравнению с известными решениями, то номинальное значение меры сопротивления в устройстве необходимо увеличить также в два раза.

В описанном включении при измерении КСХ беэ изменения значения транспортного тока в цепи токовых электродов 2 преобразователя происходит удвоение ЭДС Холла. Следовательно, а два раза увеличивается эквивалентное значение КСХ. Это позволяет осуществлять сравнение КСХ, измеренного известными способами, с

КСХ, измеренным по предлагаемому способу без изменения значения транспортного тока и номера плато. т.е. числа заполненных уровней Ландау.

При этом открывается новая возможность выявления систематических погрешностей и повышается достоверность измерений.

На фиг.l эквипотенциалы и линии тока преобразователя построены по экспериментальным данным, полученным при исследовании квантовых холловских преобразователей. В качестве преобразователя использована МДП-структура на легированном кремнии -с управлением по напряжению затвора. Преобразователь размещен внутри сверхпроводящего магнитного соленоида с индукцией 10 Т при температуре 4,2 К. электродами и повторная инжекция выведенного тока в канал до указанного сечения позволяют уменьшить влияние термоЭДС путем двукратных измерений

Зр (без инжекции и с инжекцией ) и повысить точность измерений КСХ в 1,5-2 раза по сравнению с известными техническими решениями.

Формула и з о б р е т е н и я

Способ определения квантового сопротивления Холла, заключающийся в том, что ток заданной величины пропускают через канал квантового холловского

4р преобразователя, помещенного в поперечное постоянное магнитное поле, измеряют холловскую электродвижущую силу, определяют значение квантового сопротивления Холла по отношению холлов45 ской электродвижущей силы к заданной величине тока, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точности определения, перед измерением холловской электродвижущей силы

Выводят из кВантоВого хОллОВскОГО преобразователя через боковую грань ток заданной величины после прохождения носителями заряда сечения потенциальных электродов квантового холловского преобразователя и инжектируют ток заданной величины через боковую грань квантового холловского преобразователя до прохождения ими сечения потенциальных электродов.

R б,455. 200 а юг,р, sz q sZ зг

3

8в2

Фиг.!

Фиа 3

Составитель В.Степанкин

Редактор А.Маковская Техред Д.Олийнык Корректор Л.Патаи

Заказ 6273/44 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101