Способ определения квантового сопротивления холла

СОЮЗ СОБЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ВО,1 К 17 00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 254) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕОПРОТИВЛЕНИЯ ХОЛЛА КВАНТОВОГО лФ 38ий, Ю.П.Семено 8. 8) тей вант эикн Выл,12,овостир, 1986 М.: Ии нг, К Успех 50, в.18 К,фо эффект наук. 1 126. Кли олла, 86, т вантованный и физических ып.1. с. 107-. фиа ОСУДАРСТ 8 ЕННЫИ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(72) А.В.Площин и И.В, Хахамов (53) 621.317.02 (56) Сборник ст вый эффект Холл твердого тела24(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бытьиспользовано 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 способучерез канал 1 преобразователя Холлас двумерным электронным газом между3 1515115 токовыми электродами 2 пропускают транспортный ток заряженных частиц- носителей, Преобразователь Холла помещают в перпендикулярное магнит 5 ное поле,. Между холловскими электро дами Э, 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 прохожденииносителейСпособ позволяет уменьшитьвлияние термоЭДС и повысить точностьизмерений квантового сопротивленияХолла в 1,5-2 раза по сравнению сизвестными техническими решениями,Э ил, Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бытьиспользовано в метрологии для воспроизведения значения квантовогосопротивления Холла (КСХ - общепринятое сокращение), а также в экспериментальной физике для уточнениязначений фундаментальных физическихконстант на основе макроскопическихквантовых эффектов.Целью изобретения является повышение точности.На фиг.1 представлены линии токаи эквипотенциалы в области каналаквантового холловскэго преобразователя при выведении тока из канала иповторном его инжектировании; нафиг.2 - то же, при однократном прохождении носителями канала; нафиг.З - схема устройства для измерения КСХ,По предлагаемому способу (фиг,1)через канал 1 холловского преобразователя с двумерным электронным газом (2 МЭГ) между токовыми электродами 2 пропускается транспортныйток заряженных носителей (например,от внешнего источника тока). Холловский преобразователь помещен вперпендикулярное магнитное полеМежду холловскими электродами 3-5и 6-8 индуцируется электродвижущаясила (ЭДС) Холла,После прохождения носителями заряда сечения канала 1 в области расположения измерительных электродов4, 7 транспортный ток выводитсяиз канала в месте расположения электрода 5 на боковой грани канала 1.Этот ток инжектируется повторнов канал 1 в области электрода 6 напротивоположной боковой грани канала 1 до сечения 4,7.Таким образом через сечениеканала 1 в месте расположения хол 15 20 25 30 354 О 45 50 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 сверх- проводящей перемычки между электродами 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 Макевелла, 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 2 МЭГ канала 1 образуются две независимые области с транспортным током носителей, имеющим одно и то же значение, приводящие к удвоению значения холловской ЭДС.15115 6Через преобразователь пропускали транс.портный ток 5 мкА от ртутных элементов, Выход на режим квантованияосуществляли, регулируя напряжениезатвора по минимуму продольного напряжения. В эксперименте осуществлялась настройка на плато, соответствующее четырем заполненным уровням1 О Ландау,Испытания макета показали, чтопри ,выводе тока через боковую граньканала и его повторной инжекции черезпротивоположную боковую грань проис 15 ходит удвоение ЭДС Холла с высокойточностью. Разность значений КСХ беэинжекции и с инжекцией носителей(при учете половинного значения КСХ)не превосходила 1 1 О , т.е. лежала20 в пределах погрешности измерительного эксперимента,Таким образом, вывод транспортного тока из области канала через боковую грань после прохождения носителя 25 ми области сечения с холлонскими 5 5На фиг,1 условно показано направ 1ление вектора магнитной индукции В,При изменении направления магнитногополя вывод транспортного тока из канала 1 необходимо осуществлять ужене с электрода 5, а с электрода 8,т,е. в соответствии с направлениемсмещения заряженных носителей к боковой грани канала 1, согласно направлению вектора напряженности поперечного электрического поля, определяемого векторным произведением скорости носителей и индукции магнитногополя. В этом случае выведенный черезэлектрод 8 ток нужно ввести в канал1 через контакт 3, а электроды 5 и 6должны быть разомкнуты.Выход на режим квантования преобразователя осуществляется по минимуму падения напряжения внутри канала в продольном направлении. Для этого можно использовать электроды3, 4 или 7, 8, Схема устройства дляизмерения КСХ (Фиг.З) не меняется.Однако, поскольку ЭДС преобразователя увеличена в два раза по сравнению с известными решениями, то номинальное значение меры сопротивленияв устройстве необходимо увеличитьтакже и дна раза,В описанном включении при измерении КСХ беэ изменения значениятранспортного тока в цепи токовыхэлектродов 2 преобразователя происходит удвоение ЭДС Холла. Следовательно, а дна раза увеличиваетсяэквивалентное значение КСХ. Это позволяет осуществлять сравнение КСХ,измеренного иэнестными способами, сКСХ, измеренным по предлагаемомуспособу без изменения значения транспортного тока и номера плато. т.е.числа заполненных уровней Ландау.При этом открывается новая возможность выявления систематическихпогрешностей и повышается достоверность измерений.На фиг,1 эквипотенциалы и линиитока преобразователя построены поэкспериментальным данным, полученнымпри исследовании квантовых холловскихпреобразователей. В качестве преобразователя использована МДП-структура на легированном кремнии .с управлением по напряжению затвора. Преобразователь размещен внутри сверхпроводящего магнитного соленоида синдукцией 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 30 (без инжекции и с инжекцией ) и повысить точность измерений КСХ в 1,5-2 раза по сравнению с известными техническими решениями.формула изобретения 35Способ определения квантового сопротивления Холла, заключающийся н том,что ток заданной величины пропускаютчерез канал квантового холловского 40 преобразователя, помещенного в поперечное постоянное магнитное поле, измеряют холловскую электродвижущую силу,определяют значение квантового сопротивления Холла по отношению холлов ской электродвижущей силы к заданнойвеличине тока, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышенияточности определения, перед измерением холловской электродвижущей силыВыводят иэ кВантоВого холлОВскогопреобразователя через боковую граньток заданной величины после прохождения носителями заряда сечения потенциальных электродов квантовогохолловского преобразователя и инжектируют ток заданной величины через боковую грань квантового холловскогопреобразователя до прохождения имисечения потенциальных электродов.фиа 3 Составитель В.Степанкинедактор А.Маковская Техред Л.Олийнык ректор Л.Латай аз 6273/44 тираж 714 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Рауйская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10