Der Quanten-Hall-Effekt ist eine in der Physik anerkannte Theorie, die das Verhalten von Elektronen in einem Magnetfeld bei extrem niedrigen Temperaturen beschreibt. Beobachtungen des Effekts untermauern die Theorie der Quantenmechanik insgesamt eindeutig. Die Ergebnisse sind so präzise, dass der Standard zur Messung des elektrischen Widerstands den Quanten-Hall-Effekt nutzt, der auch die Arbeit an Supraleitern untermauert.
Der 1879 von Edwin Hall entdeckte Hall-Effekt wird beobachtet, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, der sich in einem Magnetfeld befindet. Ladungsträger, die normalerweise Elektronen sind, aber auch Protonen sein können, streuen aufgrund des Einflusses des Magnetfelds zur Seite des Leiters. Das Phänomen kann als eine Reihe von Autos visualisiert werden, die aufgrund eines starken Windes auf einer Autobahn seitwärts geschoben werden. Die Autos nehmen eine kurvige Bahn, während sie versuchen, vorwärts zu fahren, aber sie werden zur Seite gezwungen.
Es entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den Seiten des Leiters. Die Spannungsdifferenz ist recht klein und hängt von der Zusammensetzung des Leiters ab. Die Verstärkung des Signals ist notwendig, um brauchbare Instrumente basierend auf dem Hall-Effekt herzustellen. Dieses Ungleichgewicht des elektrischen Potentials ist das Prinzip einer Hall-Sonde, die Magnetfelder misst.
Mit der Popularität von Halbleitern interessierten sich Physiker dafür, den Hall-Effekt in so dünnen Folien zu untersuchen, dass die Ladungsträger im Wesentlichen auf die Bewegung in zwei Dimensionen beschränkt waren. Unter starken Magnetfeldern und niedrigen Temperaturen legten sie Strom an leitfähige Folien an. Anstatt zu sehen, wie Elektronen in gekrümmten kontinuierlichen Bahnen seitwärts gezogen wurden, machten die Elektronen plötzliche Sprünge. Es gab scharfe Spitzen im Strömungswiderstand bei bestimmten Energieniveaus, wenn die Magnetfeldstärke geändert wurde. Zwischen den Spitzen fiel der Widerstand auf einen Wert nahe Null, eine Eigenschaft von Tieftemperatur-Supraleitern.
Die Physiker erkannten auch, dass das Energieniveau, das notwendig ist, um eine Widerstandsspitze zu verursachen, nicht von der Zusammensetzung des Leiters abhängt. Die Widerstandsspitzen traten bei ganzzahligen Vielfachen voneinander auf. Diese Peaks sind so vorhersehbar und konsistent, dass auf dem Quanten-Hall-Effekt basierende Instrumente verwendet werden können, um Widerstandsstandards zu erstellen. Solche Standards sind unerlässlich, um Elektronik zu testen und eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten.
Die Quantentheorie der Atomstruktur, also die Vorstellung, dass Energie in diskreten, ganzen Paketen auf subatomarer Ebene verfügbar ist, hatte bereits 1975 den Quanten-Hall-Effekt vorhergesagt. 1980 erhielt Klaus von Klitzing den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung, dass der Quanten-Hall-Effekt tatsächlich exakt diskret war, was bedeutet, dass die Elektronen nur in scharf definierten Energieniveaus existieren konnten. Der Quanten-Hall-Effekt ist zu einem weiteren Argument für die Quantennatur der Materie geworden.