主要适用于以下领域:电阻计量固态物理学

在与维尔茨堡大学的合作中,德国联邦物理技术研究院(PTB)成功地测量了量子反常霍尔效应,其相对测量不确定度为 2.5 · 10–7。这意味着近3个数量级的提升。它使量子霍尔电阻标准与约瑟夫森电压标准的片上集成更接近于现实,这将会是电子量子标准实际应用的一个突破。

零磁场的电阻量子化

拓扑绝缘体在主体中绝缘,但在表面导电。铁磁掺杂也使表面垂直于磁化方向M绝缘。一维“边缘通道”,即环形电流,在膜的边缘流动。在这种状态下,霍尔电阻 ρxy在零磁场下被量子化,并且取克里青常数值(von Klitzing)h / e2,同时,纵向电导率 ρxx变为零。

量子反常霍尔效应发生在拓扑绝缘体中。这些是几年前才发现的新型固态材料,仅在表面导电。这种材料的形式是铁磁薄层,可以表现为在没有外部磁场的低温下被量子化的霍尔电阻,这种霍尔电阻值为克里青常数h/e2。在PTB开展的这项研究中,所使用的拓扑绝缘体是由维尔茨堡大学采用分子束外延(MBE)技术制造的一种铁磁钒【 (BixSb1–x)2Te3】 混合晶体。这种材料和类似材料的反常霍尔效应及其在没有外部磁场的情况下理论上预测的量子化已经被证明有一段时间了,只不过当时的相对测量不确定度约为 10−4。如果这种效应是真实准确的,则可能会为未来电子量子计量学带来新的元件,即,将量子霍尔电阻标准与仅在零磁场下工作的约瑟夫森电压标准结合在一个芯片上。但是,运用MBE制造这些晶体非常困难,全世界只有极少数的研究小组能够掌握这项技术。此外,到目前为止,铁磁态非常敏感,且与理论估计相反,仅在毫开尔文(millikelvin)范围内的极低温度和几毫微安(nanoampere)的非常小的测量电流下才发生量子化。

在与维尔茨堡研究小组的合作中,零磁场的量子化现已在几毫微安的电流下得到证实,测量不确定度为2.5 · 10–7。这种不确定度比以前获得的值低了近3个数量级。这些测量是用PTB开发的低温电流比较器电桥进行的,其已在分数量子霍尔效应的精确量子化演示中证明了它的价值(参见之前的PTB新闻 )。

验证结果让我们可以期待,尽管对于零磁场下的量子反常霍尔效应并未完全掌握所有细节,但这种效应将来应该会促成更容易操作的电子量子标准。
本文由计量校准公司整理。

 

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