维尔茨堡大学的研究人员开发出了一种可以提高量子电阻标准性能的方法。它基于一种名为量子反常霍尔效应的量子现象。到目前为止，零磁场量子反常霍尔效应只出现在电流非常低的情况下。这种装置可以改变这种状况。

在电子产品的工业生产中，例如在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中，精确测量电阻是必不可少的。维尔茨堡大学（JMU）拓扑绝缘体研究所的物理学家查尔斯-古尔德（Charles Gould）教授解释说："非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂的系统产生重大影响。有了我们的新测量方法，我们就可以利用量子反常霍尔效应（QAHE），在没有任何外部磁场的情况下，大幅提高电阻测量的精度"。

新方法的运作方式

许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应：当电流流过导体并将其暴露在磁场中时，就会产生电压，即所谓的霍尔电压。将该电压除以电流得到的霍尔电阻会随着磁场强度的增加而增大。在薄层中和足够大的磁场中，霍尔电阻开始出现阶跃，其值恰好为 h/ne2，其中 h 为普朗克常数，e 为基本电荷，n 为整数。这就是所谓的量子霍尔效应，因为电阻只取决于自然界的基本常数（h 和 e），因此它是一个理想的标准电阻器。

QAHE 的特别之处在于它可以在零磁场条件下产生量子霍尔效应。"在没有任何外部磁场的情况下运行，不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量：千克时也具有优势。要确定千克，必须同时测量电阻和电压，"古尔德说，"但测量电压只有在没有磁场的情况下才能进行，因此量子霍尔效应是这方面的理想选择。"

迄今为止，QAHE 只能在电流过低的情况下进行测量，而电流过低则无法用于实际计量。究其原因，是在较高电流下的电场干扰了 QAHE。维尔茨堡的物理学家们现在已经找到了解决这一问题的方法。

古尔德解释说："我们在一个被称为多端科比诺装置的几何结构中使用两个独立的电流来中和电场。有了这一新技巧，电阻在更大的电流下仍可量化为 h/e2，从而使基于 QAHE 的电阻标准更加稳健"。"

在实际应用的道路上

在可行性研究中，研究人员能够证明新的测量方法能够达到基本直流电技术的精度水平。他们的下一个目标是使用更精确的计量工具来测试这种方法的可行性。为此，维尔茨堡小组正与专门从事此类超精密计量测量的德国国家计量研究院（PTB）密切合作。

这种方法并不局限于量子霍尔效应。鉴于传统的量子霍尔效应在足够大的电流下也会遇到类似的电场驱动限制，因此这种方法还可以改进现有的计量标准，用于更大电流的应用。

编译来源：ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41928-024-01156-6