2022-2023学年高二物理竞赛课件：量子霍尔效应（quantum Hall effect)

量子霍尔效应（quantum Hall effect) 1979年，德国克利青（Klaus von Klitzing,1943-)发现，在极低温和强磁场下，宏观霍尔电压和电阻（霍尔电压与电流之比）呈现量子化变化。即 量子霍尔效应（quantum Hall effect) 1980年，von Klitzing 撰文“利用量子化霍尔电阻高准确决定精细结构常数的新方法”（New Method for Hing-accuracy Determination of the Fine-structure Constant Based on quantized Hall Resistance),引起一连串重大物理发现而获得1985年的诺贝尔物理奖。 1982年，美国普林斯顿大学的崔琦(Daniel C.Tsui) 和哥伦比亚大学的史特莫(Horst L.Stormer)在二维电 子系统中发现分数量子霍尔效应（即 RH出现了新的台阶）。 一年后，美国史丹佛大学的劳夫林（Rorbert B. Laughlin) 提出新理论，指出在那些分数占有数处，电 子形成了一种新的稳定流体，是这些电子中的排斥作 用导致了分数量子霍尔效应。 崔琦(Daniel C.Tsui)、史特莫(Horst L.Stormer)和劳夫林（Rorbert B. Laughlin) 三人因发现了一种新形态的量子流体，其中带有分数电荷的激发态，有助于理解物质的内部基础结构和动力，而分享了1998年的诺贝尔物理学奖。 霍尔效应的应用： 1、判定载流子的正负性；2、测载流子浓度；3、决定精细结构常数；4、用于测量技术、电子技术、自动化技术、计算技术等领域；5、我国已制造出多种半导体材料的霍尔元件，用于测磁感应强度、电流、微小位移、压力、转速、放大、振荡、调制、检波、计算元件等；6、磁流体发电。 2004年诺贝尔物理奖由三位美国科学家分享 维尔泽克 麻省理工学院 格罗斯 加利福尼亚大学 波利茨 加利福尼亚理工学院 瑞典皇家科学院在授予这三位科学家诺贝尔物理学奖的文告中称，他们是因在夸克粒子理论方面所取得的成就才获此奖项的。夸克是自然界中最小的基本粒子。这三位科学家对夸克的研究使科学更接近于实现它为“所有的事情构建理论”的梦想。 今年的诺贝尔单项大奖奖金总额为1000万瑞典克朗，约合136万美元。 研究成果：发现了强相互作用理论中的“渐近自由”现象 强相互作用力就是原子核内起维系作用的力量，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。 今年诺贝尔物理学得主的数字计算解释说明夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性。与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强。这种特性可以比喻为一种橡皮圈或弹簧，橡皮圈或弹簧拉得越长，力量就会越大。 这三位科学家1973年通过一个完善的数学模型公布了这一发现。这一发现导致了一个全新的理论，即量子色动力学。这一理论对标准模型作出了重要贡献。标准模型形容了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象。在量子色动力学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子。在质子和中子中，它们三个经常一起出现。 由于戴维·格罗斯、戴维·波利茨、弗兰克·威尔茨克的发现，物理学家更接近于实现一个伟大的梦想，这就是为重力、电磁力、强作用力、弱作用力构建一个统一的理论，一个适用于所有物质的理论。 意义重大 诺贝尔奖缘何频频花落美国 ？ 截至2004年，美国共有280位诺贝尔奖获得者，其中文学奖获得者11位，和平奖19位，经济学奖35位，化学奖55位，物理学奖75位，生理学或医学奖85位。 2004年，六项诺贝尔奖由12位科学家分享，其中有7位美国科学家。 美国人口占世界人口总数的比例不到5％,美国获得诺贝尔科学奖的人数却占全球获得该奖人数的70％以上，其中奥妙何在？ 美国通过国家和私人资金来源向基础研究投入了数十上百亿美元的经费。像贝尔实验室这样一些由公司资助的项目，将无数美元用于研究上。国家科学基金会在多名美国诺贝尔奖得主获奖之前向他们提供了资助 。 被资助的科学家都被鼓励以不同于常人的思维方式去思维。国家科学基金会主任丽塔·科尔韦尔说：“一个重要因素，是鼓励创新精神和向各种假设提出挑战。” 科尔韦尔说：