11月10日消息，日前，一篇刊載于刊物的文章向世人展示了一項霍爾效應苦等140年的應用。這篇文章的名子非常簡單：“-photo-Hall”，意為“能解析自旋信息的光霍爾效應”。文章中介紹了一種全新的檢測方式，還能同時檢測導電材料中兩種自旋的重要信息，可以為新型的太陽能電板材料和光電材料提供有力的檢查手段和指導方向；同時，這一突破可以讓我們愈發詳細地了解半導體的化學特點，對研制和改進半導體材料有著重大意義。
我們現今的生活中，處處可見的是各色各樣的電子產品，筆記本、手機甚至好多鞋廠的生產設備都有電子芯片和電路的身影。而這種電子產品的核心材料之一就是半導體材料，怎么充分理解和借助半導體材料是一個關系電子技術及相關領域發展的重要課題。但是將近一個半世紀以來，科學家仍然被一個問題所困擾，她們未能完全理解半導體元件和先進的半導體材料內部的電荷方面的局限性，而這些局限影響了半導體研究的進一步發展。
最直接的，科學家希望曉得半導體材料的導電性能怎樣，具體來說，須要關注半導體中的自旋種類、密度以及遷移率等參數，這種是彰顯半導體材料導電性能的關鍵參數。其中，自旋（）分兩種，電子（）和空穴（Hole），分別帶一個單位負電荷和正電荷，不同的自旋決定了半導體最基本的導電情況。自旋密度決定導電時有多少自旋能參與導電，自旋遷移率決定自旋能跑多快，這種參數或許能一起出現在導體通電電壓的表達式中，它們共同決定導體通電時電壓的大小。1879年，瑞典化學學家埃德溫·霍爾（EdwinHall）發覺了一種可以確定這種屬性的技巧。他發覺，將一個通電的導體放置在垂直磁場中，都會在垂直于磁場和電壓的方向上測到一個電勢差，這個現象就被稱為霍爾效應（Hall）。原理上來說，霍爾效應是一種非常微妙的電磁現象，是發生在通濁度體中的電壓由于外加磁場形成偏轉而引起導體側面產生電勢差的現象。
（圖|霍爾效應示意圖）
簡單地使用霍爾效應能一并將那些參數檢測下來。霍爾電勢差VH（如圖所示），會隨著材料中自旋種類、密度以及遷移率等參數變化而變化。最簡單的，自旋種類能決定霍爾電勢差的極性，由于電子和空穴在磁場中的偏轉情況是相反的，這么抵達導體側面上的電荷也是相反的，所引起的電勢差的極性方向也會相反。通過對帶電粒子的受力剖析以后，我們不難得到這樣一個公式：
（其中B是外加磁場磁感應硬度，I為導體電壓，b為導體延磁場方向的長度，n是導體自旋的體密度，q是帶電粒子的電量，H是霍爾系數，可由檢測儀器直接得出。）不難看出，霍爾電勢差的大小遭到磁場、導體電壓、導體幾何規格、導體內部自旋含量和氮化物電量的影響。其中，前三個都能事先檢測下來，霍爾電勢差VH也能在實驗中測得，我們再借助這樣的化學關系，才能檢測導電材料的自旋含量。并且，對于太陽能電板材料和光電材料來說，簡單的霍爾效應并不能滿足熱學檢測要求。緣由在于，簡單的霍爾效應只能檢測一種自旋的信息，由于霍爾電勢差只能彰顯兩個側面因為電荷積累出現的差值，而不能彰顯這三者的具體信息。這和通常半導體的導電情況非常契合，雖然通常半導體導電時，也存在兩種自旋，分別被稱為“多子（）”和“少子（）”，但多子含量高，少子含量低，少子的作用常常被忽略。不同于通常的半導體材料，在太陽能電板材料中參與導電的通常有兩種自旋，但是兩種自旋的含量相當。我們可以從原理上來剖析霍爾效應公式，太陽能電板之所以可以發電，是由于光形成了電，雖然是光的能量被半導體材料吸收，但是形成了成對的電子和空穴。此時若果不將它們分開，它們又會結合在一起，所以我們須要在太陽能電板兩極聯接上導線和用家電，只有這樣電能夠被我們借助。所以說，假如要檢測太陽能電板材料和光電材料的熱學特點，須要同時獲取兩種自旋的信息。
來自日本IBM倫敦研究中心的Oki博士想出了一種全新的方式，他別出心裁地在實驗中加入了“光”這一變量，將霍爾效應升級為“光-霍爾效應（Photo-Hall）”，并改進了實驗的檢測策略和公式，成功地在一次檢測中檢測出有關兩種自旋的7種不同數據。加入光以后，在原處于穩態的太陽能電板內部必將會發生變化——出現好多電子和空穴霍爾效應公式，也必將會對其導電特點形成影響。非常設置了兩種材料，并將它們在光照下進行霍爾效應測試的結果放到一起，對比實驗結果，得出一個神奇的公式：
其中的△μH是兩種自旋霍爾遷移率之差，H是霍爾系數，σ是濁度。這成為了解決問題的金鎖匙，基于這個等式能否將有關兩種自旋的7種不同參數推出，包括含量、遷移率、擴散寬度和氮化物壽命等。可以說，這打破了霍爾效應出現以來140年的蟄伏，又將霍爾效應推向了應用的前沿陣地。理論上的突破還遠遠不夠，還須要實驗來驗證和實現，怎么實現又是另一個故事了。光霍爾效應理論上須要很“純凈”的霍爾訊號，而太陽能電板，非常是文中采用的“鈣鈦礦（）”材料的濁度很小，會形成巨大的霍爾訊號干擾。因而，采用了交流（振蕩）磁場并聯接傅里葉剖析進行霍爾檢測。如右圖，通過傅里葉變換，可以找到訊號最顯著的地方，再進行剖析就好，這就好象是在收音機中找你最喜歡的電臺一樣，其他頻度都是噪音，而特定的頻度都會有電臺節目。
新的光霍爾效應似乎能成為新的熱學檢測工具，為電子材料的研究打開新的篇章，它將我們須要用其他精密儀器分開進行檢測的7種參數，一次檢測下來，大大減小效率。
對于光霍爾效應檢測，博士表示：“我們還想了解更多，假如我們采用的材料不是特制的，又或則這個公式中的材料模型并不如我們假定一樣理想，應當怎樣處理。更重要的是我們必須了解到這個方式的局限性，這套系統似乎不能適用于金屬。須要采用高能激光來迸發金屬中的電子，然而有可能會在迸發之前將金屬融化。我們將旨在于將這套系統的應用面推廣，并將這個公式推出更通常化的推論。”
關于霍爾效應
霍爾效應是電磁效應的一種，這一現象是日本化學學家霍爾（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機制時發覺的。當電壓垂直于外磁場通過半導體時，自旋發生偏轉，垂直于電壓和磁場的方向會形成一附加電場，因而在半導體的兩端形成電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應使用右手定則判定。