L’effet Hall quantique est une théorie bien acceptée en physique décrivant le comportement des électrons dans un champ magnétique à des températures extrêmement basses. Les observations de l’effet corroborent clairement la théorie de la mécanique quantique dans son ensemble. Les résultats sont si précis que la norme de mesure de la résistance électrique utilise l’effet Hall quantique, qui sous-tend également les travaux menés sur les supraconducteurs.
L’effet Hall, découvert par Edwin Hall en 1879, est observé lorsqu’un courant électrique traverse un conducteur placé dans un champ magnétique. Les porteurs de charge, qui sont généralement des électrons mais peuvent être des protons, se dispersent sur le côté du conducteur en raison de l’influence du champ magnétique. Le phénomène peut être visualisé comme une série de voitures poussées latéralement en raison d’un vent fort lors de la descente d’une autoroute. Les voitures empruntent un chemin incurvé alors qu’elles tentent d’avancer mais sont forcées de côté.
Une différence de potentiel entre les côtés du conducteur se développe. La différence de tension est assez faible et est fonction de la composition du conducteur. L’amplification du signal est nécessaire pour fabriquer des instruments utiles basés sur l’effet Hall. Ce déséquilibre du potentiel électrique est le principe d’une sonde à effet Hall qui mesure les champs magnétiques.
Avec la popularité des semi-conducteurs, les physiciens se sont intéressés à l’examen de l’effet Hall dans des feuilles si minces que les porteurs de charge étaient essentiellement limités au mouvement en deux dimensions. Ils ont appliqué du courant à des feuilles conductrices sous de forts champs magnétiques et à basse température. Au lieu de voir des électrons tirés latéralement dans des chemins continus incurvés, les électrons ont fait des sauts soudains. Il y avait des pics nets dans la résistance à l’écoulement à des niveaux d’énergie spécifiques lorsque l’intensité du champ magnétique était modifiée. Entre les pics, la résistance est tombée à une valeur proche de zéro, caractéristique des supraconducteurs à basse température.
Les physiciens ont également réalisé que le niveau d’énergie nécessaire pour provoquer un pic de résistance n’était pas fonction de la composition du conducteur. Les pics de résistance se sont produits à des nombres entiers multiples les uns des autres. Ces pics sont si prévisibles et cohérents que des instruments basés sur l’effet Hall quantique peuvent être utilisés pour créer des normes de résistance. De telles normes sont essentielles pour tester l’électronique et garantir des performances fiables.
La théorie quantique de la structure atomique, qui est le concept selon lequel l’énergie est disponible en paquets entiers discrets au niveau subatomique, avait prédit l’effet Hall quantique dès 1975. En 1980, Klaus von Klitzing a reçu le prix Nobel de physique pour son découverte que l’effet Hall quantique était en effet exactement discret, ce qui signifie que les électrons ne pouvaient exister que dans des niveaux d’énergie bien définis. L’effet Hall quantique est devenu un autre argument en faveur de la nature quantique de la matière.