Zvětšit obrázek

Schématická struktura grafénu.

Hallův jev je vlastně vznik Hallova elektrického pole v polovodiči při současném působení vnějšího magnetického a elektrického pole. Dochází k němu i v kovech, ale vzhledem k vysoké koncentraci vodivostních elektronů je v nich jenom opravdu skromný. Vzájemným působením magnetického a elektrického pole se na jedné straně látky hromadí záporný náboj a na druhé straně kladný. Tyto póly mají různý potenciál a v důsledku toho vzniká Hallovo napětí. Hallův jev se široce využívá, například při bezkontaktním měření magnetických polí.
Kvantový Hallův jev je hojně studovaná kvantově mechanická verze Hallova jevu, dosud pozorovaná v oblacích elektronů za extrémně nízkých teplot v extrémně silně magnetickém prostředí. Za jeho objev dostal Klaus von Klitzing v roce 1985 Nobelovu cenu a v tomhle směru výzkumu to nebyla Nobelova cena poslední.

Zvětšit obrázek

Mikroskopické zobrazení grafénu.

Až do teď si všichni mysleli, že kvantový Hallův jev může fungovat jen za teplot v bezprostředním okolí absolutní nuly. Při teplotách, v nichž fungujeme my, se obvykle kvantové jevy vytratí díky roztřeseným atomům.

Teď už to ale neplatí. Vědci z americké National High Magnetic Field Laboratory a holandské High Field Magnet Laboratory testovali kvantový Hallův jev v grafénu, nedávno vyvinuté bizarní formě uhlíku z příbuzenstva fullerenů. Grafény jsou vlastně dvourozměrné pláty uhlíkových atomů, které jsou uspořádány v jedné jediné vrstvičce. V ideálním případě jsou atomy uhlíků uspořádány v šestihranech, jiné útvary v grafénu působí defekty.

Zvětšit obrázek

Schéma Hallova jevu.
1. elektrony, 2. Hallův senzor, 3. magnety, 4. magnetické pole, 5. zdroj elektřiny.

Přes svoji tloušťku je grafén tvrdý podobně jako diamant. Badatelé umístili grafén do extrémně silného, dosud největšího uměle vytvořeného magnetického pole a nakonec se nestačili divit. Jinak křehké kvantové jevy, na které se musí opatrně, se utrhly ze řetězu a vesele probíhaly i za pokojových teplot. Za pohodových teplot tak badatelé mohli pozorovat podivné jevy, dříve myslitelné jen za extrémních mrazů.

Kvantový Hallův jev je základem pro mezinárodní standard elektrického odporu, kterým se dnes charakterizují veškeré elektricky vodivé materiály. Nové objevy na tomto poli mohou v budoucnu vést k vytvoření standardu fungujícího i v normálních teplotách a za normálních magnetických polí.

Pochopení tajemného světa kvantové mechaniky bude v budoucnu zcela klíčové pro vývoj nových generací ultraminiaturních elektrických přístrojů. Nanostroje díky své velikosti budou jednoznačně podléhat pravidlům kvantových jevů. Je pozoruhodné, ale ve vědě vcelku běžné, že objevu došlo nezávisle ve dvou laboratořích, v americké a v holandské. V tomto případě oba týmy pracovaly na zmíněných grafenech a proto byl tento objev takříkajíc na spadnutí. Jako ojedinělý případ kooperace na vědeckém kolbišti se obě laboratoře dohodly na společné prezentaci a publikaci svých výsledků.

Pramen: Science online 15.2. 2007, DOI: 10.1126/science.1137201, Wikipedia