Способ определения квантового сопротивления Холла Советский патент 1989 года по МПК G01R17/00 

32

J4

4 мг МиВ

СП СЛ

ел

«л 6#

7

«Д

8

-J

31515115

токовыми электродами 2 пропускают транспортный ток заряженных частиц- носителей. Преобразователь Холла помещают в Перпендикулярное магнит- , вое поле..Между ХОПЛОРСКИМИ электродами 3, 4, 5 и 6, 7, 8 индуцируется электродвижущая сила Холла, При этом на электродах 4 и 7 значение холловской ЭДС будет в д)за раза больп1е, чем при однократном прохождении носителей. Способ позволяет уменьшить влияние термоЭДС и повысит точность измерений квантового сопротивления Холла в 1,5-2 раза по сравнению с известными техническими решениями. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в метрологии для воспроизведения значения квантового сопротивления Холла, а также в экспериментальной физике. Целью изобретения является повышение точности способа определения квантового сопротивления Холла. По данному способу через канал 1 преобразователя Холла с двумерным электронным газом между токовыми электродами 2 пропускают транспортный ток заряженных частиц - носителей. Преобразователь Холла помещают в перпендикулярное магнитное поле. Между холловскими электродами 3,4,5 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 прохождении носителей. Способ позволяет уменьшить влияние термоЭДС и повысить точность измерений квантового сопротивления Холла в 1,5 - 2 раза по сравнению с известными техническими решениями. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в метрологии для воспроизведения значения квантового сопротивления Холла (КСХ - общепринятое сокращение), а также в экспериментальной физике для уточнения значений фундаментальных физических констант на основе макроскопических квантовых эффектов.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг. представлены линии тока и эквипотенциалы в области канала квантового холловского преобразователя при выведении тока из канала и пов.торном его-инжектировании; на фиг,2 - то же, при однократном прохождении носителями канала; на фиг.З - схема устройства для измерения КСХ.

По предлагаемому способу (фиг,1) через канал 1 холловского преобразователя с двумерным электронным газом (2МЭГ) между токовыми электродами 2 пропускается транспортный ток заряженных носителей (например, от внешнего источника тока), Хол- ловский преобразователь помещен в перпендикулярное магнитное поле. Между холловскими электродами 3-5 и 6-8 индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Холла.

После прохождения носителями заряда сечения канала 1 в области расположения измерительных электродов 4, 7 транспортный ток вьшодится из канала в месте расположения электрода 5 на боковой грани канала 1, Этот ток инжектируется повторно в канал 1 в области электрода 6 на противоположной боковой грани канала 1 до сечения 4,7.

Таким образом, через сечение канала 1 в месте расположения хол

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, Вьшод 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 по- грещность, обусловленную влиянием

термоЭДС на результат измерения,

Инжекция и вывод тока из канала Через боковые грани могут быть осуществлены, например, введением сверхпроводящей перемычки между электро-

дами 5 и 6, Поскольку между противоположными боковьми гранями преобразователя при отсутствии указанной перемычки, см. фиг, 2) с тцествует 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 транс портный 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, Следовательно, в 2МЭГ

канала 1 образуются две независимые области с транспортным током носителей, имеющим одно и то же значение, приводящие к удвоению значения холловской ЭДС.

15

На фиг.1 условно показано направление вектора магнитной индукции В. При изменении направления магнитного поля вывод транспортного тока из канала 1 необходимо осуществлять уже не с электрода 5, а с электрода 8, т.е. в соответствии с направлением смещения заряженных носителей к боковой грани канала 1, согласно направлению вектора напряженности поперечного электрического поля, определяемого векторным произведением скорости носителей и индукции магнитног поля. В этом случае выведенный через электрод 8 ток нужно ввести в канал 1 через контакт 3, а электроды 5 и 6 должны быть разомкнуты.

Выход на режим квантования преобразователя осуществляется по минимуму падения напряжения внутри канала в продольном направлении. Для этого можно использовать электроды 3, 4 или 7, 8. Схема устройства для измерения КСХ (фиг.З) не меняется. Однако, поскольку ЭДС преобразователя увеличена в два раза по сравнению с известными решениями, то номинальное значение меры сопротивления в устройстве необходимо увеличить также в два раза.

В описанном включении при измерении КСХ без изменения значения транспортного тока в цепи токовых электродов 2 преобразователя происходит удвоение ЭДС Холла. Следовательно, а два раза увеличивается эквивалентное значение КСХ. Это позволяет осуществлять сравнение КСХ, измеренного известными способами, с КСХ, измеренным по предлагаемому способу без изменения значения транспортного тока и номера плато, т.е. числа заполненных уровней Ландау. При этом открывается новая возможность выявления систематических погрещностей и повышается достоверность измерений.

На фиг. эквипотенциалы и линии .тока преобразователя построены по экспериментальным данным, полученным при исследовании квантовых холловских преобразователей. В качестве преобразователя использована ЩП-структу - ра-на легированном кремнии -с управлением по напряжению затвора. Преобразователь размещен внутри сверх- проводящего магнитного соленоида.с индукцией 10 Т при температуре 4,2 К.

1 IS6

Через преобразователь пропускали транспортный ток 5 мкА от ртутных элементов. Выход на режим квантования осуществляли, регулируя напряжение затвора по минимуму продольного напряжения. В эксперименте осуществлялась настройка на плато, соответствующее четырем заполненным уровням

0 Ландау.

Испытания макета показали, что при .выводе тока через боковую грань канала и его повторной инжекции через противоположную боковую грань проис5 ходит удвоение ЭДС Холла с высокой точностью. Разность значений КСХ без инжекции и с инжекцией носителей (при учете половинного значения КСХ) не превосходила , т.е. лежала

0 в пределах погрещности измерительного эксперимента.

Таким образом, вывод транспортного тока из области канала через боковую грань после прохождения-носителя5 ми области сечения с холловскими

электродами и повторная инжекция выведенного тока в канал до указанного сечения позволяют уменьшить влияние термоЭДС путем двукратных измерений

0 (без инжекции и с инжекцией ) и повысить точность измерений КСХ в 1,5-2 раза по сравнению с известными техническими рещениями. Форм.ула изобретения

Способ определения квантового сопротивления Холла, заключающийся в том, что ток заданной величины пропускают через канал квантового холловского

0 преобразователя, помещенного в поперечное постоянное магнитное поле, измеряют холловскую электродвижущую силу, определяют значение квантового сопротивления Холла по отношению холлове ской электродвижущей силы к заданной величине тока, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности определения, перед измерением холловской электродвижущей силы

Q выводят из квантового холловского преобразователя через боковую грань ток заданной величины после прохождения носителями заряда сечения потенциальных электродов квантового

- холловского преобразователя и инжектируют ток заданной величины через боковую грань квантового холловского преобразователя до прохождения ими сечения потенциальных электродов. -,

R 6,f53.20f

12

5 00 0 0 32

HI

05,

3

фиг.1

S2mV

32 32

Фи-г. Ъ