Neues vom Quanten-Hall Effekt

Nobelpreisträger Klaus von Klitzing hielt Vortrag

Nobelpreisträger Professor Klaus von Klitzing war Anfang November 1999 Gast an unserer Universität. Im physikalischen Kolloquium der Fakultät für Naturwissenschaften sprach er über "Neues vom Quanten-Hall-Effekt". Seitens des Rektorats wurde herausgestellt, welch besonderer Gewinn es für unsere Universität sei, einen solch hochrangigen Wissenschaftler als Referenten begrüßen zu können.

Neue Impulse

Mit seiner Entdeckung des Quanten-Hall-Effektes verlieh Klaus von Klitzing der Festkörperphysik neue Impulse. 1985 erhielt er für seine Entdeckung den Nobelpreis für Physik. Heute ist Professor von Klitzing Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Seine Abteilung befasst sich mit den elektronischen Eigenschaften von Halbleiterschichtsystemen, mit Quantenpunkten und speziell mit dem Einfluss von Quantenphänomenen auf die optischen und Transporteigenschaften von Nanostrukturen.

Der klassische Hall-Effekt, 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt, tritt auf, wenn eine Platte, durch die ein Strom fließt, zusätzlich in ein Magnetfeld gebracht wird: Unter dessen Einfluss driften die durch die Platte fließenden Elektronen zur Seite und an den Seitenkanten der Platte wird eine Spannung gemessen, die sogenannte Hall-Spannung. Den Hall-Effekt nutzten Physiker schon frühzeitig zur Untersuchung von Halbleitermaterialien aus.

Der Quanten-Hall-Effekt, den Professor von Klitzing 1980 entdeckte, beschreibt das Verhalten von Elektronen in einer zweidimensionalen Schicht, auf die ein starkes Magnetfeld wirk. Wird die Hall-Spannung an den Seitenkanten gemessen, so zeigt diese nicht, wie klassisch zu erwarten gewesen wäre, einen linearen Verlauf als Funktion des Magnetfeldes, sondern es treten Sprünge und Plateaus auf. Die Plateaus dieser Quantensprünge hängen erstaunlicherweise nicht, wie der klassische Hall-Effekt, vom Material oder der Geometrie der Probe ab, sondern stellten sich als das Vielfache immer derselben Zahl heraus. Diese Zahl, die Von-Klitzing-Konstante, ist demnach eine universelle Naturkonstante. Mit ihr hat man seither eine Bezugsgröße für die Messung von Widerständen, die überall auf der Welt gleich ist. Damit wurde es erstmals möglich, die Einheit Ohm des elektrischen Widerstandes mit hoher Genauigkeit an einem Halbleiter zu messen.

"Man sollte sich mit Halbleitern nicht beschäftigen, das sind Dreckeffekte". So gab einer der Väter der Quantentheorie, Wolfgang Pauli, 1931 die Meinung vieler Fachkollegen über eine Klasse von Materialien wieder, die weder elektrisch leitend wie Metalle, noch völlig isolierend sind. Ausgerechnet an Halbleitern entdeckte Klaus von Klitzing 50 Jahre später mit dem Quanten-Hall-Effekt neuartige Quantenphänomene.

PM/Ines Perl