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量子霍尔效应的稳定态解释

(2010-04-06 08:58:33)
标签:

杂谈

量子霍尔效应的稳定态解释

 

吴孟齐1 吴纬2

1上海航天局第八O二研究所

2STM 微电子上海公司

 

摘要 基于电磁学的基本规律和量子的基本特性以及一些量子霍尔效应实验的结果,研究了量子霍尔效应中通过载流子旋转面上的磁通量的量子化特性。论证了磁通量子化和量子霍尔效应都是由载流子在磁场中旋转的稳定态产生的。给出了量子霍尔电阻的新的计算方法。介绍了用波函数相因子计算旋转载流子稳定性态和轨道面上量子磁通的方法。我们还分析了现有量子霍尔理论中存在的问题,并且证明了载流子根本不可能携带磁通量。基于量子霍尔效应中载流子的能级特性,预言了把霍尔面分成两个能级区域后,载流子将会发生能级跃迁和产生微波辐射,并可能被研制成性能优良的微波源。

 

关键词:磁通量子化, 量子霍尔效应, 稳定态,能级,波函数,相因子,能级跃迁

 

1.    前言

众所周知,在经典物理和量子力学之间存在着不少矛盾。按照现有的观点,由于许多量子现象只能用量子力学方法给出解释。例如在现有的理论中,A-B效应,磁通量子化和量子霍尔效应都只能用量子力学解释。因此人们认为经典物理和量子力学之间存在着本质的区别。实际上,现有的经典物理和量子力学的确不同。经典物理能给物理规律以明晰的物理图象,量子力学则无法做到。量子力学可以正确地描述的许多量子规律,经典物理则无能为力。我们认为:经典物理与量子力学之间的矛盾应该归因与前者主要描述粒子特性,后者主要描述波动和统计特性。因此,对于那些具有波粒二象性,并且必须同时描述的A-B效应,磁通量子化和量子霍尔效应等物理现象,现有的经典物理和量子力学都无法单独地对它们进行正确的描述。然而,基于物理规律的客观性,经典物理和量子力学之间应该是统一和和谐的。我们对A-B效应,磁通量子化和量子霍尔效应等的研究将会证明:只要把经典物电磁学的基本规律和量子的基本特性结合起来,就可以用电磁学方法直接描述量子规律[1]

在资料l中,我们基于载流子在霍尔面上的能级特性统一解释了整数和分数量子霍尔效应。在本文中,我们则根据经典物电磁学的基本规律和量子的基本特性对载流子在磁场中的实际运动规律进行描述,不必建立任何模型,就给出了磁通量子化和量子霍尔效应的解释。我们证明了磁通量子化和量子霍尔效应都是载流子在磁场中旋转的稳定态。给出了量子化磁通与载流子在磁场中的能级的对应关系和量子霍尔电阻的新的计算方法。在本文的第5部分介绍了用波函数相因子计算旋转载流子稳定性态和轨道面上磁通量的方法。在第6部分比较全面地分析了现有量子霍尔理论中存在的问题。得到了载流子根本不可能携带磁通量等许多重要结论。在现有的量子霍尔效应理论中,量子化被归因于规范不变性和波函数单值性的结果;整数量子霍尔效应被归因于能级部分填充;分数量子霍尔效应被归因于载流子的强相互作用和分数电荷特性。所有这些都没有和载流子在磁场中的实际运动直接关联。都不是通过直接描述载流子实际运动后给出的解释。因此都无法使磁通量子化和整数和分数量子霍尔效应都得到统一和明晰的解释[2-7]。特别是Laughlin为解释整数量子霍尔效应所建立的金属环模型(见附录1),其目的是为了让霍尔电流产生磁通量,然后用以计算霍尔电阻。但是实际的霍尔面都不是圆环,并且霍尔电流在Laughlin金属环环面上根本不能产生所需的磁通量在第7部分基于量子霍尔效应中的载流子能级特性,预言了把霍尔面分成两个能级区域后,载流子将会发生能级跃迁和产生辐射微波,并可能成为性能优良的微波源。本文的附录都是资料照片,它们既有利于本文的论述,也可以减少读者查找资料的麻烦。

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