L’effetto Hall quantistico è una teoria ben accettata in fisica che descrive il comportamento degli elettroni all’interno di un campo magnetico a temperature estremamente basse. Le osservazioni dell’effetto confermano chiaramente la teoria della meccanica quantistica nel suo insieme. I risultati sono così precisi che lo standard per la misurazione della resistenza elettrica utilizza l’effetto Hall quantistico, che è anche alla base del lavoro svolto sui superconduttori.
L’effetto Hall, scoperto da Edwin Hall nel 1879, si osserva quando una corrente di elettricità passa attraverso un conduttore posto in un campo magnetico. I portatori di carica, che di solito sono elettroni ma possono essere protoni, si disperdono sul lato del conduttore a causa dell’influenza del campo magnetico. Il fenomeno può essere visualizzato come una serie di auto spinte lateralmente a causa di un forte vento mentre percorrono un’autostrada. Le auto prendono un percorso curvo mentre tentano di avanzare ma sono costrette di traverso.
Si sviluppa una differenza di potenziale tra i lati del conduttore. La differenza di tensione è piuttosto piccola ed è funzione della composizione del conduttore. L’amplificazione del segnale è necessaria per realizzare strumenti utili basati sull’effetto Hall. Questo squilibrio nel potenziale elettrico è il principio alla base di una sonda di Hall che misura i campi magnetici.
Con la popolarità dei semiconduttori, i fisici si interessarono all’esame dell’effetto Hall in lamine così sottili che i portatori di carica erano essenzialmente limitati al movimento in due dimensioni. Hanno applicato corrente a lamine conduttive sotto forti campi magnetici e basse temperature. Invece di vedere gli elettroni tirati lateralmente in percorsi continui curvi, gli elettroni facevano salti improvvisi. C’erano picchi acuti nella resistenza al flusso a livelli di energia specifici quando l’intensità del campo magnetico veniva cambiata. Tra i picchi, la resistenza è scesa a un valore vicino allo zero, una caratteristica dei superconduttori a bassa temperatura.
I fisici si sono anche resi conto che il livello di energia necessario per provocare un picco di resistenza non era una funzione della composizione del conduttore. I picchi di resistenza si sono verificati a multipli interi l’uno dell’altro. Questi picchi sono così prevedibili e coerenti che gli strumenti basati sull’effetto Hall quantistico possono essere utilizzati per creare standard di resistenza. Tali standard sono essenziali per testare l’elettronica e garantire prestazioni affidabili.
La teoria quantistica della struttura atomica, che è il concetto che l’energia è disponibile in pacchetti discreti e interi a livello subatomico, aveva previsto l’effetto Hall quantistico già nel 1975. Nel 1980, Klaus von Klitzing ricevette il Premio Nobel per la Fisica per il suo scoperta che l’effetto Hall quantistico era in effetti esattamente discreto, il che significa che gli elettroni potevano esistere solo in livelli di energia nettamente definiti. L’effetto Hall quantistico è diventato un altro argomento a sostegno della natura quantistica della materia.