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Hall Effect-Integer
2024-12-31
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Schrodinger’s Equation of Hall Effect#

当我们同时考虑电场和磁场时,磁场项会导致Landau levels,而电场项会导致Landau States的实空间中的平衡位置(谐振子)出现平移,进而导致垂直于电、磁场的群速度。这便是Hall Effect。

当我们考虑边界效应的时候,边界可以视为一个势垒,对其进行一级近似的时候,其作用类似于电场。因而也会导致一个垂直于电、磁场的电流。这个电流便是手性边界态。由于这个势垒在左、右的一级近似的符号相反,因而会导致相反的电流方向。手性是指,电流仅沿着某单一方向运动,其背散射被抑制(方向相反意味着该电子需要穿过整个体到达另外一个表面)。

手性异常:如果单独看某个界面态,其粒子数不守恒。仅当我们考虑体态及其泵浦效应(通过Hall 电流将某界面态的电子Pump到另一界面态中)时,粒子数才是守恒的。出现这种异常意味着,该体系仅仅是某个更大体系的边界态。

AB相位#

将Berry Phase中的状态空间修改为矢势空间,可以得到AB相位的形式。二者均为几何相位。当电子绝热地绕如图螺线管外侧一圈后,会相比初态获得一个相位:

1

其中,相位因子正比于磁通量:

θ=qΦ\theta = \frac{q\Phi}{\hbar}

Corbino Disc#

2

现有一个圆环系统。圆环域用于模拟周期性晶格。中心空白处施加变化磁通,我们想模仿Hall effect的构型,利用这个含时磁通来构建一个沿着xx轴方向的恒定电场。由Maxwell equations:

E\ddl=Bt\dda2πrE=\ddΦ\ddt\begin{align} \oint\vec E\cdot\dd{\vec l} &= -\iint\frac{\partial \vec B}{\partial t}\cdot \dd{\vec a}\\ 2\pi rE&=-\frac{\dd \Phi}{\dd t} \end{align}

可以令:

Φ=2πrEt\Phi=-2\pi r Et

xx轴沿着切向(θ^\hat \theta),yy轴沿着径向(r^\hat r)。,需要一个沿着xx方向的矢势:

A=Etθ^\vec A=-Et\hat\theta

取其旋量,得磁感应强度:

×A=1rz^(r(rAθ)θAr)=1rz^(Et)\begin{align} \nabla\times \vec A&=\frac{1}{r}\hat z(\partial_r(rA_\theta)-\partial_\theta A_r)\\ &=\frac{1}{r}\hat z(-Et) \end{align}

由此可得磁通为:

Φ=1r(Et)r\ddθ\ddr=(2πr0E)t\Phi = \iint \frac{1}{r}(-Et)r\dd\theta\dd r=-(2\pi r_0E)t
Hall Effect-Integer
https://tsuanren.github.io/posts/hall2/
Author
Tsuan Ren
Published at
2024-12-31