平衡量子霍尔电阻提供了一种新的测量方法

维尔茨堡大学的研究人员开发了一种可以提高量子电阻标准性能的方法。它基于一种称为量子反常霍尔效应的量子现象。

电阻的精确测量对于工业生产或电子产品至关重要，例如在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中。维尔茨堡大学(JMU)拓扑绝缘体研究所的物理学家CharlesGould教授解释说：“非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂的系统产生重大影响。”

“通过我们的新测量方法，我们可以利用量子反常霍尔效应(QAHE)显着提高电阻测量的精度，无需任何外部磁场。”

新方法如何运作

许多人可能还记得物理课上经典的霍尔效应：当电流流过导体并暴露在磁场中时，就会产生电压，即所谓的霍尔电压。通过将该电压除以电流获得的霍尔电阻随着磁场强度的增加而增加。

在薄层和足够大的磁场中，该电阻开始形成离散阶跃，其值恰好为h/ne2，其中h是普朗克常数，e是基本电荷，n是整数。这被称为量子霍尔效应，因为电阻仅取决于自然基本常数(h和e)，这使其成为理想的标准电阻器。

QAHE的特点是它允许量子霍尔效应在零磁场下存在。“在没有任何外部磁场的情况下进行操作不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量：千克时也具有优势。要定义千克，必须测量电阻和电压同时，”Gould说，“但测量电压只能在没有磁场的情况下进行，因此QAHE是理想的选择。”

到目前为止，QAHE的测量电流对于实际计量用途而言太低。其原因是电场会在较高电流下扰乱QAHE。维尔茨堡的物理学家现在已经找到了解决这个问题的方法。

“我们在称为多端子Corbino装置的几何结构中使用两个独立的电流来中和电场，”古尔德解释道。“通过这一新技巧，电阻在更大电流下仍可量化为h/e2，从而使基于QAHE的电阻标准更加稳健。”

走向实际应用之路

在可行性研究中，研究人员能够证明新的测量方法可以达到基本直流技术所提供的精度水平。

他们的下一个目标是使用更精确的计量工具测试这种方法的可行性。为此，维尔茨堡集团正在与专门从事此类超精密计量测量的Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(德国国家计量研究所，PTB)密切合作。

古尔德还指出，“这种方法不仅限于QAHE。鉴于传统的量子霍尔效应在足够大的电流下经历类似的电场驱动限制，这种方法还可以改进现有的最先进的计量标准，适用于更大电流的应用。电流很有用。”