Введение. 
Гальваномагитные эффекты и их применение в технике и технологиях

Ich mag diese Physik des festen Kцrpers nicht —не нравится мне эта физика твердого тела — сказал однажды выдающийся ученый Нобелевский лауреат Вольфганг Паули. Действительно, только в физике твердого тела встречается множество невероятно трудных задач, а также уникальный «лихой» стиль их решения. Поэтому как Паули, так и другие крупнейшие физики отдали много сил и времени решению этих задач, развивая тем самым и обогащая содержание данной области физики. (Паули, например, принадлежит исключительно изящная теория парамагнетизма электронного газа).

Важнейшими достижениями науки и техники ХХ века, безусловно, являются создание теории относительности, квантовой механики и овладение ядерной энергией. Однако квантовая теория твердого тела была заложена Эйнштейном и Дебаем до планетарной модели атома Резерфорда-Бора. А влияние на физику, технику и технологию открытия рентгеновского излучения, транзистора и лазера было столь же внушительным как открытие вынужденного деления и не имело отрицательных последствий.

За последние тридцать лет физика твердого тела по числу полученных Нобелевских премий опережает физику элементарных частиц и астрофизику вместе взятых. Даже несмотря на то, что «исследование полупроводников и Нобелевская премия по физике кажутся несовместимыми, поскольку обычно считается, что такая сложная система, какой является полупроводниковый транзистор, мало пригодна для фундаментальных открытий», как сказал в своей Нобелевской лекции К. фон Клитцинг.

Электронный газ в металле либо в полупроводнике представляет собой довольно простую физическую систему. Однако при низких температурах и в сильных магнитных полях в этой системе появляется целый ряд неожиданно возникающих, непредсказуемых, низкоэнергетических коллективных эффектов: эффект Шубникова-де Газа, квантовый эффект Холла — целочисленный и дробный. В особенности парадоксален последний из них. Прежде всего тем, что он реализуется, как правило, не в трехмерной, а в двумерной электронной системе. Подобную систему образуют электроны, которые находятся на границе раздела полупроводника и диэлектрика, либо двух немного различающихся полупроводников. (Но сверхчистых, так что их создание само по себе является высокой технологией). В настоящее время это самая гладкая поверхность, которую только можно создать, чтобы ограничить движение электрона в двух измерениях. Далее, много электронов, взаимодействуя коллективно, образуют новые частицы с зарядом меньше элементарного. Причем не просто меньше, что объяснялось бы простым экранированием, а представляющим правильную дробь 1/3, 1/5 и т. д. от элементарного заряда. При этом, конечно, ни один из электронов на части не разваливается. Дробным оказывается не только электрический заряд, но и другие квантовые числа, обычно целые, либо полуцелые. Захватывая кванты магнитного потока, электроны меняют свой спин и статистику, превращаясь с ростом магнитного поля в бозоны и вновь в фермионы. Голый электрон вращается в магнитном поле по окружности малого радиуса, тогда как композитная частица перестает «чувствовать» магнитное поля и движется прямолинейно. Массы композитных частиц не имеют ничего общего с массой первоначального электрона и возникает исключительно за счет взаимодействия с соседями. Таким образом, теория квантового эффекта Холла отличается парадоксальностью и своеобразным изяществом.

Настоящая книга посвящена описанию гальваномагнитных явлений, при этом особое внимание уделено дробному квантовому эффекту Холла и сопутствующим вопросам. В первой главе рассматривается классификация гальваномагнитных явлений и магнетосопротивление. Классический эффект Холла в металлах, полупроводниках и ферромагнетиках, а также его приложениях в науке и технологии описан во второй главе. В третьей главе обсуждаются свойства и методика создания наносистем пониженной размерности. Четвертая глава посвящена квантовому эффекту Холла и теории Лафлина. Альтернативные теории дробного квантового эффекта Холла, в частности, разработанные авторами, приведены в пятой главе. В приложении дано описание принципиально нового класса наноуглеродных материалов — графенов.

Книга написана на основе лекций прочитанных на курсах повышения квалификации профессорско-преподавательского состава вузов по направлению «Проблемы подготовки кадров по приоритетным направлениям науки, техники и инновационным технологиям» в 2008 году. Надеемся, что она окажется полезной студентам и аспирантам физических специальностей, преподавателям средних и высших учебных заведений, широкому кругу читателей, интересующихся данными вопросами.