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1. 개요
Hall effect도체 또는 반도체 내부에 흐르는 전하의 이동방향에 수직한 방향으로 자기장을 가하게 되면, 금속 내부에 전하 흐름에 수직한 방향으로 전위차가 형성되게 된다. 이러한 현상을 홀 현상이라고 하고, 그렇게 형성되는 전위차를 홀 전압이라고 한다.
홀 효과는 1879년 미국의 물리학자 홀(E. Hall; 1855~1938)이 발견하였다. 어원상으로 큰 방을 뜻하는 홀(hall)과는 무관하다.
당연한 이야기지만, 도체 또는 반도체 내부에서 움직이는 전하의 움직임, 즉 전류는 외부 자기장에 영향을 받게 된다. 이 때 자기장을 전류에 수직한 방향으로 가해주는 경우, (+) 전하와 (-) 전하는 자기장의 방향에 따라서 도체 또는 부도체의 좌우 양단으로 흩어지게 된다. 고등학교 물리 시간에 수직한 방향으로 가해지는 자기장 안에서 전하의 움직임을 생각하면 편하다.
그럼 도대체 "이것이 왜 중요한가?"라고 물을 수 있지만 이러한 현상을 통해서 "당최 이 놈 안에서 어떤 극성의 전하가 지배적이냐?"를 설명할 수 있는 실험이다. 쉽게 말해서 물체 내부의 전하의 극성과 밀도를 대략적으로 구할 수 있는 실험 중 하나라고 할 수 있다. 또한 위 현상은 반도체의 물성 실험을 할 때 중요한데, 통제된 환경 내에서 전하의 흐름을 얼마나 조절할 수 있는지가 중요한 반도체의 특성상 각 조건에 따라 홀 효과를 측정하여서 전하 밀도를 비교한다.
또한 홀 효과는 자기장 센서에 활용된다. 통칭 홀 센서로 불리는 이 센서는 정확도가 상대적으로 높고[1] 범용적으로 사용할 수 있어, 핸드폰 등의 각종 장비에 들어가는 자기장 센서는 대부분 홀 센서를 활용하고 있다. 단독으로 자기장의 방향이나 세기를 감지하기도 하고 영구자석과 결합해 가까운 상대 위치를 정확하게 센싱하는 용도로 널리 쓰인다. 특히 게임기 패드나 조이스틱에서 각도를 센싱하는 건 대부분 값싼 가변저항기를 쓰지만 오래쓰면 저항막이 마모되어 센터가 쏠리는 드리프트 현상이 나타나는데 홀 소자를 이용하는 방식은 기계적 접촉이 없으므로 매우 수명이 길고 드리프트 현상이 없다. 고급 조이스틱이나 게임 패드의 대명사.
아래는 홀 효과를 간단히 애니메이션으로 나타낸 동영상이다.
2. 종류
2.1. 양자 홀 효과
양자 홀 효과는 2차원 표면에서 매우 낮은 온도와 강한 자기장 하에서는 홀 전도도가 양자화되는 현상을 일컫는 말이다. 위에서 설명했다시피 고전적인 홀 효과에서는 홀 현상에서의 홀 전도도가 전하밀도에 상관이 있었는데 극한적인 상황에서는 물질이고 뭐고 다 무시해버리고 특정 값의 정수배로 비례하는 일이 벌어지게 된다.이는 자기전도도 텐서(Magneto-conductivity tensor)에서 온도가 낮고 자기장이 큰 극한상황을 정의하다보면 자연스럽게 도출되는 결과인데, 보통 이러한 상황에서의 홀 비저항은 다음과 같다.
[math( \displaystyle \rho_{xy}={h \over ne^2} )]
이때, [math(h)]는 플랑크 상수, [math(e)]는 기본 전하량이다.
이거 하나로 서독의 물리학자 클라우스 폰 클리칭이 1985년 노벨 물리학상을 받았다
보통 이러한 홀 비저항의 [math(n)] 값은 정수를 갖지만 몇몇 특수한 물질은 정수가 아닌 분수값을 가지는 경우도 존재한다.[2]
2000년대 그래핀연구의 대폭발을 일으킨 실험 기법이기도 하다.
현재는 Fractional quantum Hall effect, Quantum anomalous Hall effect, Quantum Spin Hall Effect 등의 방향의 연구가 활발하다.
2.2. 열 홀 효과(Thermal Hall effect)
물질 내에서 열이 전도될 때, 물질에 걸린 자기장에 의해 입자의 진행 방향과 수직하는 방향으로 열 전도율이 바뀌는 현상이다. 간단하게 보면, 물질 내에서 입자가 진행할 때, 한 쪽은 차갑고 다른 쪽은 상대적으로 따뜻해지는 것이라 이해할 수 있다.2.3. 비정상 홀 효과(Anomalous Hall effect)
홀 효과가 발견된 지 1년 후에 에드윈 홀은 강자성체에서 기존 홀 효과보다 더 큰 홀 저항을 측정하였다. 자화와 스핀-궤도 결합이 있는 물질에서는 외부 자기장이 없더라도 홀 효과를 관측할수 있으며, 이 현상을 비정상(anomalous) 홀 효과라고 부른다.[3]
물질이 자화 (Magnetization) M을 가지는 경우 Hall resistance는 아래와 같이 표현된다.
[math(R_{xy} = R_{O} B + R_{A} M)] [4]
3. 기타
전자 이외에도 다양한 준입자에서 홀 효과가 이론적으로 제안되고, 실험적으로 관측되었다. 21세기 초에 들어 광자 홀 효과(Photon Hall effect)나 포논 홀 효과(Phonon Hall effect) 등이 관측되었고, 2010년 즈음에는 관측하기 난해했던 마그논 홀 효과(Magnon Hall effect)까지 발견해내게 되었다.[5]그러나 실험물리학적 진보와는 별개로, 이 효과는 아직도 명확한 원인이 밝혀지지 않았기 때문에 21세기의 물리학에서 활발히 연구되는 주제 중 하나이다.
[1] 자기저항 센서가 정확도는 훨씬 더 높다.[2] 이런 것을 Fractional quantum Hall effect라고 한다.[3] Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald, and N. P. Ong, Anomalous Hall effect, Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)[4] [math(R_{O})] 를 ordinary Hall coefficient, [math(R_{A})] 를 Anomalous Hall coefficient 라 하며 문헌에 따라 표기가 다를 수 있다.[5] Onose, Y., Ideue, T., Katsura, H., Shiomi, Y., Nagaosa, N., & Tokura, Y. (2010). Observation of the magnon Hall effect. Science, 329(5989), 297-299.