Клаус фон Клитцинг

Биография

Немецкий физик Клаус Олаф фон Клитцинг родился во время второй мировой войны в городе Шрода, в то время входившего в состав Германии (вблизи германско-польской границы). Он был третьим из четырех детей лесничего Богислава фон Клитцинга и урожденной Анни Ульбрих. Вскоре после рождения К. стало ясно, что военное положение Германии ухудшилось и части Советской Армии скоро дойдут до окрестностей Позена (ныне Познани), и семья Клитцинг бежала на Запад. Незадолго до окончания войны, в апреле 1945 г., они поселились в Люттене. В 1948 г. семья переехала в Ольденбург, а затем в 1951 г. – в Эссен. К. получил среднее образование в Артланд-гимназии города Квахенбрюна, что позволило ему специализироваться по физике в Техническом университете Брауншвейга, куда он поступил в 1962 г.

В Брауншвейге К. сначала познакомился с проблемами физики полупроводников. Проявлял он интерес и к рентгеновской спектроскопии, и даже ездил в Дармштадт, чтобы пройти курс программирования для компьютеров, имея в виду использование компьютерных методов в спектроскопии. Но его внимание привлек метод

измерения люминисценции. Он воспользовался им для определения времени жизни носителей тока в полупроводнике антимониде индия и изложил полученные результаты в диссертации, написанной под руководством Ф.Р. Кесслера в 1969 г. Затем К. перешел в университет Вюрцбурга, где некоторое время преподавал тех

нику лабораторного эксперимента студентам-медикам. Последующие десять лет он занимался исследованием полупроводников. Почти весь 1975 г. К. провел в Оксфорде, где в то время изготавливались лучшие сверхпроводящие магниты. Для К. они представляли особый интерес, так как сильные однородные магнитные п

оля являются важным инструментом исследования поведения электронов в полупроводниках.

В поисках еще более сильных магнитных полей К. в 1979 г. покидает Вюрцбург и отправляется на работу в лабораторию сильных магнитных полей в Гренобле. В 1980 г. он получает новое назначение и становится профессор

ом Технического университета в Мюнхене. На этом посту он пребывает до 1985 г., когда его утверждают директором Института физики твердого тела Макса Планка в Штутгарте. Комбинация низких температур и сильных магнитных полей, которые он смог изучать в Гренобле, сыграла важную роль в его открытиях, свя

занных с эффектом Холла. Это явление, впервые наблюдавшееся в 1880 г. американским физиком Эдвином X. Холлом, ранее рассматривалось лишь как весьма несовершенное средство измерения концентрации электронов в полупроводниках. При измерениях на основе этого эффекта электрический ток пропускается через

образец, помещенный в магнитное поле, которое приложено в перпендикулярном направлении. На образце возникает напряжение в направлении, перпендикулярном и току, и магнитному полю. Величина этого напряжения Холла обычно пропорциональна магнитному полю и обратно пропорциональна концентрации электронов.

Однако выводы, которые можно сделать на основе этих измерений, обладают, как правило, погрешностью порядка 10%, т.к. имеется множество разного рода взаимодействий между электронами и автоматами кристаллической решетки полупроводника.

В Гренобле, работая в сотрудничестве с Майклом Пеппером из Кав

ендишской лаборатории Кембриджского университета и Герхардом Дордой из научно-исследовательских лабораторий корпорации «Сименс» в Мюнхене, К. провел эксперимент, отличавшийся от традиционных измерений главным образом природой образца. Кремний, который К. выбрал для эксперимента, составлял часть тран

зистора, в котором подвижные электроны могли перемещаться только в очень тонком слое вблизи одной из поверхностей устройства. Поэтому электроны могли двигаться лишь в двух измерениях, а не в трех, как в однородном образце. Поведение таких «двухмерных» электронов под действием приложенного напряжения

существенно отличалось от поведения электронов в объемном образце.

Наиболее удивительной особенностью эксперимента К. было отклонение напряжения Холла от обычно плавного поведения при изменении приложенного магнитного поля и концентрации электронов. При плавном увеличении числа электронов в двух

мерном слое напряжение Холла сначала непрерывно спадало, затем какое-то время оставалось постоянным, затем снова спадало до следующей горизонтальной ступеньки и т.д. Разделив величину напряжения Холла, соответствующую каждой такой ступеньке, на величину пропускаемого через образец тока, мы получим в

еличину электрического сопротивления. Сравнивая серию полученных сопротивлений, К. заметил, что все они составляют выражаемые простыми дробями доли одной и той же величины: сопротивления в 25,183 ом. Это сопротивление можно представить в виде отношения двух фундаментальных констант природы – постоян

ной Планка, управляющей всеми квантовомеханическими явлениями, и квадрата электрического заряда электрона.

Важной особенностью полученного результата была высокая точность, с которой выполнялось это соотношение. При повторных экспериментах не только на образцах различной формы, но и на транзистор

ах, изготовленных из различных материалов, величину отношения неизменно удавалось измерить с погрешностью около одной десятимиллионной. Такая стабильность измерений позволила К. сразу же высказать гипотезу о том, что явление, известное ныне под названием квантового эффекта Холла, могло бы стать осно

вой абсолютно нового стандарта электрического сопротивления. О своих открытиях К. и его коллеги сообщили в августе 1980 г. в журнале «Физикал ревью летерс» ("Physical Review Letters").

Работа, опубликованная К. в 1980 г., примечательна по крайней мере в трех отношениях. Во-первых, она показала, ч

то эффекты квантовой теории, чаще всего проявлявшиеся в поведении микроскопических величин, например отдельных электронов, могут наблюдаться и при измерениях электрического тока в лабораторных масштабах. Во-вторых, обнаруженный эффект оказался полной неожиданностью для физиков-теоретиков, на протяже

нии десятилетий занимавшихся изучением полупроводников. В-третьих, квантовый эффект Холла позволил получать результаты, воспроизводимые со столь высокой точностью, что они сразу навели на мысль о новом международном стандарте единицы электрического сопротивления – ома.

За открытие квантового эффе

кта Холла К. была присуждена Нобелевская премия по физике 1985 г. В представлении Шведской королевской академии отмечалось, что работы К. «открыли для исследований новую область, необычайно важную не только для теории, но и для приложений... Мы имеем здесь дело с новым явлением в квантовой физике, п

ричем явлением, характерные особенности которого поняты лишь частично».

Точность и воспроизводимость, с которыми может быть измерен квантовый эффект Холла, делают его явлением, значение которого выходит далеко за рамки метрологии или физики полупроводниковых приборов. Поскольку измеряемая единица

сопротивления зависит только от наиболее фундаментальных констант природы, полученный К. результат важен и для многих других областей физики. Например, тонкая структура спектров испускания горячих газов определяется той же комбинацией фундаментальных констант, что и квантовый эффект Холла. Таким об

разом, измеренное сопротивление Холла стало проверкой правильности громоздких теоретических расчетов, предсказавших значение постоянной тонкой структуры атомной спектроскопии.

В некоторых отношениях открытие квантового эффекта Холла К. можно сравнить с явлением сверхпроводящего туннелирования, пр

едсказанным двумя десятилетиями раньше Брайаном Д. Джозефсоном. Оба эффекта позволяют наблюдать в лабораторном эксперименте квантовомеханическое поведение, обычно ограниченное системами атомных размеров. Оба эффекта привели к созданию новых абсолютных стандартов электрических величин – вольта у Джоз

ефсона и ома в случае квантового эффекта Холла. Работы К. имеют особое значение, ибо они стимулировали исследования электронов, эффективно ограниченных двухмерным пространством. Многочисленные новые явления, обнаруженные в последующие годы, и новые проблемы, возникшие в физике электронных слоев, во

многом обязаны своим появлением замечательным наблюдениям, сделанным К. в 1980 г.

В 1971 г. К. вступил в брак с Ренатой Фалькенберг, у них родились два сына и дочь. Помимо Нобелевской премии он был удостоен премии Вальтера-Шоттки Германского физического общества (1981) и премии Хьюлетта Паккарда