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量子ホール効果

索引 量子ホール効果

量子ホール効果(りょうしホールこうか、quantum hall effect)は、半導体‐絶縁体界面や半導体のヘテロ接合などで実現される、2次元電子系に対し強い磁場(強磁場)を印加すると、電子の軌道運動が量子化され、エネルギー準位が離散的な値に縮退し、ランダウ準位が形成される現象を指す。ランダウ準位の状態密度は実際の試料では不純物の影響によってある程度の広がりを持つ。この時、フェルミ準位の下の電子は、波動関数が空間的に局在するようになる。これをアンダーソン局在という。 そして絶対温度がゼロ度(.

37 関係: 効果の一覧半導体不純物二次元電子ガス微細構造定数化学ポテンシャルランダウ準位ヘテロ接合 (半導体)プランク定数フラクタルフェルミエネルギーフェルミ粒子ホルスト・ルートヴィヒ・シュテルマーホール効果ホール素子ダニエル・ツイアメリカ国立標準技術研究所アンダーソン局在アーサー・ゴサードクラウス・フォン・クリッツィングクーロンの法則磁場科学技術データ委員会絶縁体物性物理学量子化 (物理学)自己相関電子電磁相互作用電荷密度電気素量電気抵抗束縛状態波動関数1975年1980年1982年

効果の一覧

効果の一覧(こうかのいちらん)は、固有名として使われる効果を示す。学問上の効果、社会一般で言われる効果を含む。効果の名称の後ろの注記は分野を示す。但し、特殊効果、視覚効果は除く。.

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半導体

半導体(はんどうたい、semiconductor)とは、電気伝導性の良い金属などの導体(良導体)と電気抵抗率の大きい絶縁体の中間的な抵抗率をもつ物質を言う(抵抗率だけで半導体を論じるとそれは抵抗器と同じ特性しか持ち合わせない)。代表的なものとしては元素半導体のケイ素(Si)などがある。 電子工学で使用されるICのような半導体素子はこの半導体の性質を利用している。 良導体(通常の金属)、半導体、絶縁体におけるバンドギャップ(禁制帯幅)の模式図。ある種の半導体では比較的容易に電子が伝導帯へと遷移することで電気伝導性を持つ伝導電子が生じる。金属ではエネルギーバンド内に空き準位があり、価電子がすぐ上の空き準位に移って伝導電子となるため、常に電気伝導性を示す。.

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不純物

不純物(ふじゅんぶつ)とは、ある物質に、それ以外の物質が僅かに含まれている場合、その本来の物質以外の別の物質のことを指す。不純物は欠陥の一種である。一般には、不純物の存在は、本来の物質の性質を損なうことになる場合が多く、通常は不純物をいかに取り除くかに多くの努力が費やされる。ただ、一方では逆に不純物を利用して、本来その物質が持っていなかった新しい性質を引き出し、産業上有用な物質となる場合もある。.

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二次元電子ガス

二次元電子ガス(にじげんでんしガス、two dimensional electron gas、2DEG )は、半導体中で二次元状に電子が分布する状態を示す。半導体同士や半導体と絶縁体の接合等で伝導帯に障壁を作り、電圧やドーピングの調整により、フェルミ準位が伝導帯より上に来る状態にすること。この領域では、半導体中に電子が充満する。これを電子ガスといい、これが通常、二次元状に分布するため、二次元電子ガスと言う。 通常、HEMTのチャネル部分や、MOSFETの反転層がこれに当たる。ホールの場合は、二次元ホールガス(2DHG)と言う。.

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微細構造定数

微細構造定数(びさいこうぞうていすう、)は、電磁相互作用の強さを表す物理定数であり、結合定数と呼ばれる定数の一つである。電磁相互作用は4つある素粒子の基本相互作用のうちの1つであり、量子電磁力学をはじめとする素粒子物理学において重要な定数である。1916年にアルノルト・ゾンマーフェルトにより導入されたNIST "Current advances: The fine-structure constant and quantum Hall effect"。記号は で表される。無次元量で、単位はない。 微細構造定数の値は である(2014CODATA推奨値CODATA Value)。微細構造定数の逆数(測定値)もよく目にする量で、その値は であるCODATA Value。.

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化学ポテンシャル

化学ポテンシャル(かがくポテンシャル、)は熱力学で用いられる示強性状態量の一つである。 推奨される量記号は、μ(ミュー)である。 化学ポテンシャルはアメリカの化学者ウィラード・ギブズにより導入され、浸透圧や化学反応のようなマクロな物質量の移動が伴う現象で重要な量である。.

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ランダウ準位

ランダウ準位 (ランダウじゅんい、Landau level)とは、磁場の中で荷電粒子がサイクロトロン運動(円運動)するときに取り得る、不連続(離散的)なエネルギーの準位のことである。 一様な磁場の中で荷電粒子が運動しているとする。荷電粒子の質量をm、電荷をe、磁場の磁束密度をBとして、荷電粒子が磁場に垂直な二次元面上を運動する場合には、当該荷電粒子はサイクロトロン運動を行う。この時のサイクロトロン運動の角振動数(サイクロトロン周波数)\omega_cは、 となる。以上は古典的に考えたものだが、このサイクロトロン運動を量子化し、連続的なエネルギー分布が離散的なものとなったエネルギー準位が、ランダウ準位である。 ランダウ準位は、\omega_cを使って、 と表される。Nはランダウ量子数であり (N.

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ヘテロ接合 (半導体)

ヘテロ接合(英語:heterojunction)とは、異なる半導体同士の接合である。通常は格子整合系または格子定数が近い材料系で作られる。.

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プランク定数

プランク定数(プランクていすう、プランクじょうすう、)は、光子のもつエネルギーと振動数の比例関係をあらわす比例定数のことで、量子論を特徴付ける物理定数である。量子力学の創始者の一人であるマックス・プランクにちなんで命名された。作用の次元を持ち、作用量子とも呼ばれている。SIにおける単位はジュール秒(記号: J s)である。.

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フラクタル

フラクタル(, fractal)は、フランスの数学者ブノワ・マンデルブロが導入した幾何学の概念である。ラテン語 fractus から。 図形の部分と全体が自己相似になっているものなどをいう。.

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フェルミエネルギー

量子力学や物性物理学においてフェルミエネルギー (Fermi energy)あるいフェルミ準位(Fermi level)とは、相互作用のないフェルミ粒子系(理想フェルミ気体)の絶対零度での化学ポテンシャルのことであり、E_Fと表される。 また理想フェルミ気体の化学ポテンシャルを、絶対零度では「フェルミエネルギー」、有限温度では「フェルミ準位」と区別して呼ぶこともある。このように定義した場合、絶対零度でフェルミ準位とフェルミエネルギーは等しくなる。.

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フェルミ粒子

フェルミ粒子(フェルミりゅうし)は、フェルミオン(Fermion)とも呼ばれるスピン角運動量の大きさが\hbarの半整数 (1/2, 3/2, 5/2, …) 倍の量子力学的粒子であり、その代表は電子である。その名前は、イタリア=アメリカの物理学者エンリコ・フェルミ (Enrico Fermi) に由来する。.

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ホルスト・ルートヴィヒ・シュテルマー

ホルスト・L・シュテルマー(Horst Ludwig Störmer, 1949年4月6日 - )は、ドイツ出身のアメリカ合衆国の実験物理学者。コロンビア大学物理学科教授。 1998年、分数量子ホール効果の発見によって、ダニエル・ツイ、ロバート・B・ラフリンらとともにノーベル物理学賞を受賞した。.

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ホール効果

ホール効果(ホールこうか、Hall effect)とは、電流の流れているものに対し、電流に垂直に磁場をかけると、電流と磁場の両方に直交する方向に起電力が現れる現象。主に半導体素子で応用される。1879年、米国の物理学者エドウィン・ホール(Edwin Herbert Hall, 1855-1938)によって発見されたことから、このように呼ばれる。.

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ホール素子

ホール素子(ホールそし)とはホール効果を利用して磁界を検出する素子である。.

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ダニエル・ツイ

ダニエル・C・ツイ(Daniel Chee Tsui、中国語名 崔琦(Cuī Qí)、1939年2月28日 - )は、中国河南省出身の実験物理学者である。現在、プリンストン大学電気工学科教授兼コロンビア大学物理学科上級リサーチ科学者である。 1998年、分数量子ホール効果の発見によって、ホルスト・ルートヴィヒ・シュテルマー、ロバート・B・ラフリンとともにノーベル物理学賞を受賞した。 家族は妻Linda Varland。.

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アメリカ国立標準技術研究所

アメリカ国立標準技術研究所(アメリカこくりつひょうじゅんぎじゅつけんきゅうじょ、National Institute of Standards and Technology, NIST)は、アメリカ合衆国の国立の計量標準研究所であり、アメリカ合衆国商務省配下の技術部門であり非監督(non-regulatory )機関である。1901年から1988年までは国立標準局 (National Bureau of Standards, NBS) と称していた。その公式任務は次の通り。 2007会計年度(2006年10月1日-2007年9月30日)の予算は約8億4330万ドルだった。2009年の予算は9億9200万ドルだが、アメリカ復興・再投資法の一部として6億1000万ドルを別に受け取っている。2013年現在、NISTには約3000人の科学者、工学者、技術者がいる(他にサポートスタッフと運営部門)。また、国内企業や海外から約2700人の科学者、工学者を受け入れている。さらに国内約400ヶ所の提携機関で1300人の製造技術の専門家やスタッフが関わっている。NISTの出版している Handbook 44 は「計測機器についての仕様、許容誤差、他の技術的要件」を提供している。.

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アンダーソン局在

アンダーソン局在(Anderson localization)は、物質中のポテンシャルが無秩序な場合に、電子の波動関数が空間的に局在する現象のこと。.

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アーサー・ゴサード

アーサー・ゴサード(Arthur C. Gossard、1935年6月18日 - )は、アメリカの科学者。カリフォルニア大学サンタバーバラ校電気・計算機工学科の教授。研究分野は分子線エピタキシー法。カリフォルニア大学バークレー校で博士号を取得した。全米技術アカデミーの会員。イリノイ州出身。.

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クラウス・フォン・クリッツィング

ラウス・フォン・クリッツィング(Klaus von Klitzing, 1943年6月28日 - )は、ナチス・ドイツ占領下のポーランド・出身のドイツ人物理学者。1975年に安藤恒也らにより理論的に示唆されていた整数量子ホール効果を実験的に発見した功績によって、1985年にノーベル物理学賞を受賞した。.

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クーロンの法則

ーロンの法則(クーロンのほうそく、Coulomb's law)とは、荷電粒子間に働く反発し、または引き合う力がそれぞれの電荷の積に比例し、距離の2乗に反比例すること(逆2乗の法則)を示した電磁気学の基本法則。 ヘンリー・キャヴェンディッシュにより1773年に実験的に確かめられ、シャルル・ド・クーロンが1785年に法則として再発見した。磁荷に関しても同様の現象が成り立ち、これもクーロンの法則と呼ばれる。一般的にクーロンの法則と言えば、通常前者の荷電粒子間の相互作用を指す。クーロンの法則は、マクスウェルの方程式から導くことができる。 また、導体表面上の電場はその場所の電荷密度に比例するという法則も「クーロンの法則」と呼ばれる。こちらは「クーロンの電荷分布の法則」といい区別する。.

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磁場

磁場(じば、Magnetic field)は、電気的現象・磁気的現象を記述するための物理的概念である。工学分野では、磁界(じかい)ということもある。 単に磁場と言った場合は磁束密度Bもしくは、「磁場の強さ」Hのどちらかを指すものとして用いられるが、どちらを指しているのかは文脈により、また、どちらの解釈としても問題ない場合も多い。後述のとおりBとHは一定の関係にあるが、BとHの単位は国際単位系(SI)でそれぞれWb/m², A/m であり、次元も異なる独立した二つの物理量である。Hの単位はN/Wbで表すこともある。なお、CGS単位系における、磁場(の強さ)Hの単位は、Oeである。 この項では一般的な磁場の性質、及びHを扱うこととする。 磁場は、空間の各点で向きと大きさを持つ物理量(ベクトル場)であり、電場の時間的変化または電流によって形成される。磁場の大きさは、+1のN極が受ける力の大きさで表される。磁場を図示する場合、N極からS極向きに磁力線の矢印を描く。 小学校などの理科の授業では、砂鉄が磁石の周りを囲むように引きつけられる現象をもって、磁場の存在を教える。このことから、磁場の影響を受けるのは鉄だけであると思われがちだが、強力な磁場の中では、様々な物質が影響を受ける。最近では、磁場や電場(電磁場、電磁波)が生物に与える影響について関心が寄せられている。.

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科学技術データ委員会

科学技術データ委員会(かがくぎじゅつデータいいんかい、CODATA; Committee on Data for Science and Technology)は、国際科学会議(ICSU、旧名 国際学術連合)によって1966年に設立された学際的な科学委員会である。CODATAは、科学と技術に関するあらゆるデータについて、その質、信頼性、管理、検索性の向上を行っている。正式名称の科学技術データ委員会 よりは、CODATAと呼ばれることの方が多い。 CODATAは2年ごとにCODATA国際会議を開催している。.

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絶縁体

絶縁体(ぜつえんたい、insulator)は、電気あるいは熱を通しにくい性質を持つ物質の総称である。.

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物性物理学

物性物理学(ぶっせいぶつりがく)は、物質のさまざまな巨視的性質を微視的な観点から研究する物理学の分野。量子力学や統計力学を理論的基盤とし、その理論部門を物性論(ぶっせいろん)と呼ぶことも多い。これらは日本の物理学界独特の名称であるが、しばしば凝縮系物理学に比定される。狭義には固体物理学を指し、広義には固体物理学(結晶・アモルファス・合金)およびソフトマター物理学・表面物理学・物理化学、プラズマ・流体力学などの周辺分野を含む。.

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量子化 (物理学)

物理学において、量子化(りょうしか、quantization)は古典力学で理解されていた物理現象を"量子力学"の文脈によって説明し直す過程である。これは、場の量子化についても言及する。.

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自己相関

自己相関(じこそうかん、Autocorrelation)とは、信号処理において時間領域信号等の関数または数列を解析するためにしばしば用いられる数学的道具である。大雑把に言うと、自己相関とは、信号がそれ自身を時間シフトした信号とどれだけ良く整合するかを測る尺度であり、時間シフトの大きさの関数として表される。より正確に述べると、自己相関とは、ある信号のそれ自身との相互相関である。自己相関は、信号に含まれる繰り返しパターンを探すのに有用であり、例えば、ノイズに埋もれた周期的信号の存在を判定したり、 信号中の失われた基本周波数を倍音周波数による示唆に基づき同定するために用いられる。.

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電子

電子(でんし、)とは、宇宙を構成するレプトンに分類される素粒子である。素粒子標準模型では、第一世代の荷電レプトンに位置付けられる。電子は電荷−1、スピンのフェルミ粒子である。記号は e で表される。また、ワインバーグ=サラム理論において弱アイソスピンは−、弱超電荷は−である。.

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電磁相互作用

電磁相互作用(でんじそうごさよう)は、電場あるいは磁場から電荷が力を受ける相互作用のことをいい、基本相互作用の一つである。電磁気学によって記述される。場の理論においてラグランジアンに対してU(1)ゲージ対称性を付与することで現れるU(1)ゲージ場の成分が電磁気学におけるいわゆるスカラーポテンシャル及びベクトルポテンシャルと対応し、また自身についても対応する自由ラグランジアンを持っている。ラグランジュ形式で議論することで、物質に対応する変数でオイラーラグランジュ方程式を解くことで電磁場から物質に対しての影響を、逆に電磁場に対応する変数でオイラーラグランジュ方程式を解くことで物質側から電磁場に与える影響を導き出すことができ、それぞれ、通常の力学でのローレンツ力とマクスウェル方程式のうちのガウスの法則とアンペールマクスウェル方程式を導出することになる。.

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電荷密度

電荷密度(でんかみつど、charge density)は、単位体積当たりの電荷の分布量(体積密度)。電荷を担うものとしては電子や原子核、イオンのような粒子(素粒子や正孔などを含む)であったり、仮想的に一様に分布する電荷のような場合(→参照:ジェリウムモデル)もある。 金属や半導体では、電荷密度は0と近似できる。 実験的にはX線回折実験による構造解析から得られた結果を最大エントロピー法などを使って実空間での電子の電荷分布(→電子密度に相当)が求まる。また中性子回折実験の結果から同様な手法により原子核の密度が求まる。.

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電気素量

電気素量 (でんきそりょう、elementary charge)は、電気量の単位となる物理定数である。陽子あるいは陽電子1個の電荷に等しく、電子の電荷の符号を変えた量に等しい。素電荷(そでんか)、電荷素量とも呼ばれる。一般に記号 で表される。 原子核物理学や化学では粒子の電荷を表すために用いられる。現在ではクォークの発見により、素電荷の1/3を単位とする粒子も存在するが、クォークの閉じ込めにより単独で取り出すことはできず、素電荷が電気量の最小単位である。 素粒子物理学では、電磁相互作用のゲージ結合定数であり、相互作用の大きさを表す指標である。 SIにおける電気素量の値は である2014年CODATA推奨値。SIとは異なる構成のガウス単位系(単位: esu)での値は であるParticle Data Group。.

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電気抵抗

電気抵抗(でんきていこう、レジスタンス、electrical resistance)は、電流の流れにくさのことである。電気抵抗の国際単位系 (SI) における単位はオーム(記号:Ω)である。また、その逆数はコンダクタンス と呼ばれ、電流の流れやすさを表す。コンダクタンスのSIにおける単位はジーメンス(記号:S)である。.

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束縛状態

束縛状態(そくばくじょうたい、Bound state(s))とは、電子などがポテンシャルなどに束縛された状態のこと。束縛されるものは電子だけとは限らない。また、アンダーソン局在のような局在状態とは異なる。但し、束縛状態も空間内で、ポテンシャルなどによって束縛された状態であり、空間的に局在した状態となっている。 束縛状態の例としては、不純物準位の電子(半導体の不純物準位など←比較的束縛は弱い)や、原子の内殻電子も原子核に強く束縛されたものである。.

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波動関数

波動関数(はどうかんすう、wave function)は、もともとは波動現象一般を表す関数のことだが、現在では量子状態(より正確には純粋状態)を表す複素数値関数のことを指すことがほとんどである。.

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1975年

記載なし。

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1980年

この項目では、国際的な視点に基づいた1980年について記載する。.

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1982年

この項目では、国際的な視点に基づいた1982年について記載する。.

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フォン・クリッツィング定数分数量子ホール効果

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