本發(fā)明涉及用于交變電流信號的回轉(zhuǎn)器。

回轉(zhuǎn)器是電氣雙端口器件，其中在輸出端處的電壓與在輸入端處的電流成比例，其中當輸入端和輸出端被交換時，電壓的符號變換。因此如果電流是交變電流，那么根據(jù)所述電流在回轉(zhuǎn)器的哪個端口處被提供，所述電流要么被轉(zhuǎn)換成同相的交變電壓要么被轉(zhuǎn)換成反相的交變電壓。作為除了電阻、電容、電感和理想的變壓器之外的第五個線性元件，所述回轉(zhuǎn)器是需要的，以便實現(xiàn)雙端口器件、或者三端口或者多端口器件，其中所述雙端口器件僅在一個方向上允許交變電壓通過（隔離器），所述三端口或者多端口器件允許在一個端口處的交變電壓僅通過到在固定的旋轉(zhuǎn)方向上下一個的端口（環(huán)形器）。

背景技術(shù)：

為了根據(jù)通過回轉(zhuǎn)器的電流方向進行輸入電流到輸出電壓的轉(zhuǎn)換，在微波范圍內(nèi)，法拉第旋轉(zhuǎn)在鐵氧體中在外部磁場的影響下被使用。對此必要的是，通過輸入電流所產(chǎn)生的電磁波在鐵氧體中傳播。因此，所述鐵氧體必須具有波長數(shù)量級的尺寸，并且因此對于在無線電或者聲頻范圍內(nèi)的頻率變得不切實際地大。所述鐵氧體在微波范圍之下的頻率情況下也不再高效地工作。此外，每個回轉(zhuǎn)器通過其物理尺寸被確定到大體上狹長的頻率帶上。

可替代地，回轉(zhuǎn)器也能夠被實現(xiàn)為由晶體管和反饋的運算放大器組成的有源電路。然而，這樣的電路需要電源并且不僅產(chǎn)生噪聲而且產(chǎn)生熱量。

由US專利文獻 2,649,574已知用于較低頻率的無源回轉(zhuǎn)器，其中在鐵氧體中用平面霍爾效應(yīng)替代法拉第旋轉(zhuǎn)。不利地，不僅電流到霍爾效應(yīng)材料中的輸入耦合而且霍爾電壓的量取通過高的接觸電阻被妨礙，這影響回轉(zhuǎn)器的效率。

因此，在德國專利申請10 2013 006 377.9中追求方案：將霍爾效應(yīng)材料電感性地與外界耦合，以便使用霍爾效應(yīng)并且同時避免通過接觸電阻引起的損耗。然而由于復(fù)雜的、非平坦的幾何形狀，制造是昂貴的，并且電感性耦合要求對于低的運行頻率高滲透性的磁性材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

任務(wù)和解決方案

因此本發(fā)明的任務(wù)是，提供回轉(zhuǎn)器，所述回轉(zhuǎn)器在1-100MHz數(shù)量級中的低頻的情況下比按照至今的現(xiàn)有技術(shù)的回轉(zhuǎn)器更高效地工作。

所述任務(wù)按照本發(fā)明通過按照獨立權(quán)利要求所述的回轉(zhuǎn)器被解決。其他的有利的擴展方案由對此回引的從屬權(quán)利要求得出。

發(fā)明主題

在本發(fā)明的范圍內(nèi)開發(fā)了用于交變電流信號的回轉(zhuǎn)器。所述回轉(zhuǎn)器包括霍爾效應(yīng)材料、用于用與霍爾效應(yīng)材料的平面或者表面垂直的磁場通過所述霍爾效應(yīng)材料的裝置、至少一個用于將交變電流（I₁；I₂）輸入耦合到霍爾效應(yīng)材料中的輸入端口以及至少一個用于將輸出電壓（U₂；U₁）輸出耦合的輸出端口，所述輸出電壓是用于通過輸入耦合的交變電流所產(chǎn)生的霍爾電壓的量度。所述端口中的每個均具有至少兩個端子，所述端子與外界連接。

霍爾效應(yīng)材料可以例如是砷化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電的單覆層/單層、諸如圖形（Graphen）或者其他的在兩個維度中導(dǎo)電的材料。所述材料在兩個維度中的形狀可以尤其是圓形的或者將近圓形的，其中所述材料在兩個維度中是導(dǎo)電的。但是原則上所述形狀不受到限制。理想地在以下意義上應(yīng)當涉及拓撲體，即在其上在空間維度中對于輸入電流存在定義的電流方向，并且在其他的對此理想地垂直的空間維度中可以發(fā)生通過霍爾效應(yīng)引起的電荷分離。

按照本發(fā)明，每個端口的至少一個端子與連接電極連接，所述連接電極與霍爾效應(yīng)材料電絕緣，并且與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成電容器。因此，交變電流電容性地被輸入耦合到霍爾效應(yīng)材料中，并且輸出電壓電容性地從霍爾效應(yīng)材料中被輸出耦合。有利地，電容器具有至少300 aF的電容，優(yōu)選地至少1 fF的電容。

只要端口的僅一個端子與連接電極連接，那么用于確定用于輸入電流或者用于輸出電壓的基準點的其他的端子可以例如在霍爾效應(yīng)材料之外與定義的電勢連接。只要從兩個或更多個端口中分別僅一個端子與連接電極連接，那么尤其不與連接電極連接的所有的端子可以在霍爾效應(yīng)材料之外與定義的相同電勢連接。于是，所述端子可選地也可以彼此連接。

連接電極和霍爾效應(yīng)材料之間的絕緣可以例如是真空、氣隙或者施加在霍爾效應(yīng)材料上的或者圍繞霍爾效應(yīng)材料安置的絕緣層?；魻栃?yīng)材料也可以完全地被澆鑄在絕緣材料中。

連接電極可以由金屬、摻雜的半導(dǎo)體或者不具有大的霍爾效應(yīng)的其他的導(dǎo)電材料組成。端子和連接電極之間的以及端子和外界之間的連接可以通過傳統(tǒng)的導(dǎo)線實現(xiàn)。

已經(jīng)認識到，在按照現(xiàn)有技術(shù)霍爾效應(yīng)材料與輸入端口和輸出端口電流耦合情況下，連接電極與霍爾效應(yīng)材料的直接接觸預(yù)先給定邊界條件，所述邊界條件強制在霍爾效應(yīng)材料之內(nèi)對于效率不利的局部電勢分布。導(dǎo)電的連接電極將在整個區(qū)域中的局部電勢強制到共同的值，其中所述連接電極（sie）直接地施加在霍爾效應(yīng)材料上。所述強制在連接電極的邊緣處突然終止。在所述邊緣區(qū)域中，在霍爾效應(yīng)材料中的電勢做不連續(xù)的跳躍。即使霍爾效應(yīng)材料本身是完美的并且具有幾乎90度的霍爾角度，局部能量在所述跳躍的范圍內(nèi)被消散。

通過按照本發(fā)明連接電極和霍爾效應(yīng)材料作為電容器的板起作用，在所述兩個板之一上存在的電荷感應(yīng)在其他板上的相應(yīng)的極化電荷。這按照靜電學的通常的規(guī)則發(fā)生，據(jù)此在一個板上存在的電荷對其他板的影響通過連續(xù)的函數(shù)與距所述電荷的間隔有關(guān)。因此，連接電極對于在霍爾效應(yīng)材料中的電勢分布預(yù)先給定的邊界條件不是一開始就連續(xù)的。在電勢跳躍的范圍內(nèi)“熱點（hot spots）”的出現(xiàn)因此可以有利地被減少或者甚至完全地被阻止，其中在所述熱點處能量被消散。

這在本發(fā)明的在一種特別有利的擴展方案中尤其適用，其中電容器對于在霍爾效應(yīng)材料中電勢的空間分布預(yù)先給定邊界條件，所述邊界條件允許在霍爾效應(yīng)材料的區(qū)域中的連續(xù)的電勢變化過程，所述區(qū)域直接地與連接電極的邊緣相對。

即使輸入端口的兩個端子中的僅一個與連接電極（輸入電極）連接，所述連接電極與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成電容器，在輸入端口處所提供的交變電流也已經(jīng)可以被輸入耦合到處于未定義的“浮動（floating）”電勢上的霍爾效應(yīng)材料中。所述交變電流周期性地對由輸入電極和霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成的電容器充電和放電。在霍爾效應(yīng)材料中，通過電流形成電動力，所述電動力導(dǎo)致電荷分離并且因此導(dǎo)致與電流方向和與磁場垂直的霍爾電壓的構(gòu)成。這種電荷遷移也對與屬于輸出端口的連接電極（輸出電極）相對的區(qū)域產(chǎn)生影響。在所述輸出電極上，相應(yīng)的極化電荷被感應(yīng)，使得其電勢被改變。這可以在輸出端口作為輸出電壓被測量，所述輸出電壓與輸入電流同相。對此，如果輸出端口的其他的端子與霍爾效應(yīng)材料之外的適當?shù)幕鶞庶c連接，那么輸出電極就已經(jīng)足夠了。如果輸入端口和輸出端口被交換，那么輸出電壓的符號相反，使得所述輸出電壓與輸入電流反相。

有利地，輸入端口的兩個端子與各一個連接電極（輸入電極）連接，其中兩個輸入電極與霍爾效應(yīng)材料電絕緣，并且與霍爾效應(yīng)材料分別構(gòu)成電容器。于是，兩個輸入電極之間的交變電流可以通過霍爾效應(yīng)材料被驅(qū)動。由此，電流通過霍爾效應(yīng)材料獲得定義的方向，所述定義的方向又確定電荷分離發(fā)生的方向。

有利地，輸出端口的兩個端子與各一個連接電極（輸出電極）連接，其中兩個輸出電極與霍爾效應(yīng)材料電絕緣，并且與霍爾效應(yīng)材料分別構(gòu)成電容器。于是，輸出端口的兩個端子之間的輸出電壓對應(yīng)于在霍爾效應(yīng)材料中的電壓，所述電壓降落（abfallen）在兩個輸出電極之間。所述輸出電壓無外部基準點并且因此是更有效力的。

在本發(fā)明的一種特別有利的實施方式中，兩種措施尤其可以被相互組合。于是總計四個連接電極分別與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成電容器。于是連接電極中的兩個是輸入電極，兩個是輸出電極。

原則上，任意數(shù)的端口是可能的，尤其3、5或者6。具有三個端口的回轉(zhuǎn)器能夠例如從上述實施例中利用四個連接電極制造，其方式是：輸入端子和輸出端子彼此導(dǎo)電地連接，并且被理解成第三端口的端子。所述端子可選地也可以接地。具有三個端口的回轉(zhuǎn)器的工作原理在涉及無損耗的“理想”器件的前提下在（J. Shekel, Proceedings of the IRE 41(8), 1014(1953)）中被描述。如果霍爾效應(yīng)材料的霍爾角度θ幾乎為90°，那么按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器可以具有所述理想的特征。

具有3、5或者6個端口的回轉(zhuǎn)器也可以例如被用作環(huán)形器。所述端口于是能夠按循環(huán)的順序這樣地被布置，使得在一個端口處提供的輸入電流在該順序中的下一個端口處能夠作為同相的輸出電壓量取，而在該順序中的之前的端口處能夠作為反相的輸出電壓被量取。

在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，霍爾效應(yīng)材料在至少兩個空間維度中具有這樣的擴展，使得所述霍爾效應(yīng)材料沿著所述空間維度中的每個包含至少一百萬個在兩個空間維度中移動的電子。如果達到該臨界極限，那么霍爾效應(yīng)和因此回轉(zhuǎn)器的效果幾乎已經(jīng)以全強度出現(xiàn)。如果材料的尺寸進一步被放大，那么僅還可獲得相對輕微的提高。小的結(jié)構(gòu)比由霍爾效應(yīng)材料組成的實體、例如片材（Scheibe）在技術(shù)上更難完成。對此，對于其制造需要少量的昂貴的霍爾效應(yīng)材料。

例如，霍爾效應(yīng)材料可以有利地在至少兩個空間維度中具有至少100nm、優(yōu)選地至少500nm和完全特別優(yōu)選地至少1μm的擴展。因為具有至少1μm大小的直的結(jié)構(gòu)可以利用在技術(shù)上要求不高的衍射極限石版印刷術(shù)被制成，所以所述具有至少1μm大小的直的結(jié)構(gòu)提供在材料節(jié)省和制造的復(fù)雜性之間的特別良好的折衷。

在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，沿著霍爾效應(yīng)材料的外周測量的每單位長度的局部電容在連接電極的邊界區(qū)域中比在連接電極的其余的區(qū)域中小，其中所述外周從與輸入端口連接的連接電極（輸入電極）通向與輸出端口連接的連接電極（輸出電極）。在霍爾效應(yīng)材料的電導(dǎo)率σ、單位矢量、運行頻率ω、每單位長度的電容c(s)、在霍爾效應(yīng)材料中的電勢V(s)和通過連接電極引起的外部電勢V_ext(s)之間，在連接電極的附近存在與外周上的位置s有關(guān)的邊界條件，其中所述單位矢量相對于霍爾效應(yīng)材料的表面上的法線傾斜霍爾角度θ：

。

因此對于頻率ω的哪個范圍可滿足所述邊界條件取決于c（s）的變化過程。最好地適合于回轉(zhuǎn)器的期望的運行頻率ω的范圍的c（s）可以例如通過參數(shù)優(yōu)化或者變分計算被測定。

當c（s）足夠良性時，即使其具有隔離的有限的跳躍時（例如當電容是逐段地恒定的時），極限情況θ=90°是特別感興趣的。于是與霍爾效應(yīng)材料的外周相切地伸展，使得邊界條件簡化為。所述方程式嚴格來說不僅提出邊界條件，而且同時也是標量變量s的封閉的、通常的微分方程，所述變量s描述沿著霍爾效應(yīng)材料的周長的一維坐標。對于在霍爾效應(yīng)材料內(nèi)部中的電勢的解基本上通過在邊緣上的解V（s）預(yù)先給定。

在齊次（homogenen）情況下，其中外部電勢V_ext消失，微分方程在具有與位置有關(guān)的質(zhì)量（Masse）的維度中對應(yīng)與時間無關(guān)的狄拉克方程，所述與位置有關(guān)的質(zhì)量與c(s)成比例。它是具有周期性邊界條件的特征值方程，即解沿著霍爾效應(yīng)材料的周長是連續(xù)的。因此V（0）=V（P）必須適用，其中P是周長的長度。解與周長的形狀無關(guān)，而僅與該周長的長度有關(guān)。

現(xiàn)在，必須僅還知道具有與零不同的外部電勢V_ext的非齊次情況的特殊解。非齊次情況的所有其他的解由此得出，其方式是：齊次情況的任意解被加到特殊解上。因此，齊次情況的解尤其確定非齊次情況的定性行為。齊次情況的固有頻率在非齊次情況下導(dǎo)致極點(Polstelle)，在所述極點中電勢分布變得不連續(xù)，并且“熱點”形成，在所述熱點中能量被消散。所述固有頻率對應(yīng)于以下頻率，在所述頻率情況下電容性耦合的霍爾效應(yīng)材料顯示磁等離子體共振，并且等距地在頻譜上分布。

因此，對于霍爾效應(yīng)材料的所給出的幾何形狀不存在用于回轉(zhuǎn)器的運行頻率ω的最佳范圍，而是正相反地在頻譜中存在等距地分布的固有頻率的“圍欄”，在所述固有頻率情況下霍爾效應(yīng)材料具有磁等離子體共振并且回轉(zhuǎn)器因此不最佳地工作。

遠離所述固有頻率地、也即以與固有頻率有間隔地，所述間隔為兩個固有頻率之間的間隔的至少20%，微分方程的解在以下意義上是非常良性的，即不出現(xiàn)不連續(xù)性和因此在霍爾效應(yīng)材料中不出現(xiàn)消散能量的“熱點”。在極限情況下，即霍爾效應(yīng)材料是具有90°霍爾角度的量子霍爾效應(yīng)材料，因為兩個矢量總是彼此垂直，所以總計消散的焦耳熱量作為在霍爾效應(yīng)材料中的每個位置處的標量乘積的計算得出零。通常，兩個矢量之間的角度對應(yīng)于霍爾角度θ。

對此前提是，c(s)被限制，也即存在沿著霍爾效應(yīng)材料的從輸入電極通向輸出電極的外周的c(s)不超過的值。用于微分方程的解的諾伊曼（Neumann）邊界條件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相似的解，然而c(s)必須沿著霍爾效應(yīng)材料的邊緣趨于無窮。于是，所述解在邊緣處變得是奇異的（singul?r），這對應(yīng)于強電勢梯度，并且導(dǎo)致有損耗的“熱點”。

有利地，因此沿著霍爾效應(yīng)材料的外周，由每個連接電極與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成的電容器的每單位長度的局部電容受限制，其中所述外周從與輸入端口連接的連接電極通向與輸出端口連接的連接電極。

每長度的電容c(s)可以例如被改變，其方式是：連接電極與霍爾效應(yīng)材料的重疊和/或連接電極和霍爾效應(yīng)材料之間的絕緣的厚度和/或介電常數(shù)被改變。但是在本發(fā)明的另一特別有利的擴展方案中，所述電容也可以在回轉(zhuǎn)器的運行時間期間被改變。在所述擴展方案中，用于給在至少一個連接電極和霍爾效應(yīng)材料之間的絕緣區(qū)域施加偏置電場的裝置被設(shè)置，所述偏置電場改變電容在連接電極的區(qū)域上的空間分布。于是，電容器有利地包含鐵電體或者非線性電介質(zhì)作為在連接電極和霍爾效應(yīng)材料之間的絕緣。

在本發(fā)明的另一特別有利的擴展方案中，連接電極沿著霍爾效應(yīng)材料的外周這樣地相互布置，使得在相反的方向上沿著所述外周從一個連接電極到相鄰的連接電極應(yīng)分別走過以下路徑，所述路徑的長度相差不超過10%。連接電極于是均勻地沿著霍爾效應(yīng)材料的外周分布。如果霍爾效應(yīng)材料因此例如作為圓環(huán)或者圓盤存在，那么在具有兩個屬于輸入端口的輸入電極和兩個屬于輸出端口的輸出電極、也即總計四個連接電極的回轉(zhuǎn)器的情況下，所述連接電極沿著圓周分別彼此偏移90°。在具有三個連接電極的回轉(zhuǎn)器的情況下，所述連接電極分別彼此偏移120°。這種對稱條件越好地被滿足，回轉(zhuǎn)器的效率越高。所述條件不僅適用于圓環(huán)、圓盤和其他的簡單結(jié)構(gòu)，而且完全普遍地適用于霍爾效應(yīng)材料的完全不規(guī)則的和不對稱的形狀。在本發(fā)明的另一有利的擴展方案中，為了重量節(jié)省和材料節(jié)省的目的，所述結(jié)構(gòu)可以具有孔。在此孔的總面積可以為直至涂有霍爾效應(yīng)材料的面積的九倍。

在本發(fā)明的另一特別有利的擴展方案中，霍爾效應(yīng)材料的外周至少在部分區(qū)域中具有自相似的、尤其不規(guī)則碎片形的結(jié)構(gòu)，在所述部分區(qū)域中連接電極之一與所述部分區(qū)域構(gòu)成電容器。長度L越大，越低的運行頻率ω是可能的。剛好對于在無線電范圍和音頻范圍中的較低頻率，至今沒有有效的回轉(zhuǎn)器可供使用；本發(fā)明應(yīng)當剛好填補這一空白。自相似的、尤其不規(guī)則碎片形的結(jié)構(gòu)是具有最大的長度L同時最小的材料消耗的結(jié)構(gòu)之一，所述結(jié)構(gòu)還可以在拓撲學上被看作物體（K?rper），使得在所述結(jié)構(gòu)中通過霍爾效應(yīng)存在定義的電流方向和用于電荷分離的方向。

同樣，為了獲得低的運行頻率也有利的是，使通過連接電極和霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成的電容器的電容盡可能地大。對此連接電極可以例如部分地與霍爾效應(yīng)材料的平的區(qū)域重疊，而且要么在一側(cè)要么在雙側(cè)分別通過適當?shù)慕^緣相間隔地重疊。

代替不規(guī)則碎片形結(jié)構(gòu)，其他的強烈地纏繞的結(jié)構(gòu)也可以被使用、例如如對于薄膜電容器的金屬電極所使用的叉指結(jié)構(gòu)。

對于具有兩個輸入電極和兩個輸出電極的回轉(zhuǎn)器的特例，復(fù)數(shù)電導(dǎo)的矩陣Y₂通過

給出，其中y_e(ω)是頻率ω的偶函數(shù)并且y₀(ω)是頻率ω的奇函數(shù)。σ是霍爾材料的電導(dǎo)率。對于矩陣Y₂(ω)的所述對稱形式的必要前提是：通過所有連接電極分別與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成的電容器具有相同的電容。因此，在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，通過所有連接電極分別與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成的電容器具有最多彼此相差10%的電容。

只要在連接電極與霍爾效應(yīng)材料分別構(gòu)成電容器的區(qū)域中，所述電容器的電容至少逐段地是恒定的，之前討論的一維微分方程在這些段的每個中引向函數(shù)

其中W是段的長度，在所述段上，每單位長度的電容c(s)是恒定的，并且c是在該段中的c(s)的恒定的值。

如果y₀(ω)=0，那么Y₂(ω)變成理想回轉(zhuǎn)器的矩陣。所述零點(Nullstellen)周期地在頻率中出現(xiàn)，并且分別剛好處于兩個磁等離子體共振頻率之間的中心。它們是回轉(zhuǎn)器的最優(yōu)的運行頻率。在所述運行頻率處，cωW/σ是π的奇數(shù)倍數(shù)。

回轉(zhuǎn)器的阻抗通過σ的值被調(diào)整，并且尤其匹配于外界的設(shè)備或者器件，所述設(shè)備或者器件連接在端口上。通常致力于提高σ，以便將阻抗引入到用于高頻應(yīng)用的50Ω的標準阻抗附近。

對于具有三個端口的回轉(zhuǎn)器、尤其具有三個連接電極的回轉(zhuǎn)器，復(fù)數(shù)電導(dǎo)的矩陣Y₃(ω)是

其中

并且星號（*）表示復(fù)數(shù)共軛值。在三個端口之間的理想的回轉(zhuǎn)效果在頻率ω處出現(xiàn)，在所述頻率ω處y_d(ω)=0并且同時y_i(ω)是實值的。

對于矩陣Y₃(ω)的對稱形式的前提是，三個端口分別與連接電極連接，所述連接電極在總和中與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成相同的電容。這能夠例如被實現(xiàn)，其方式是：三個端口之一的端子分別與連接電極連接，并且所有三個連接電極與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成相同的電容。但是，對于所有三個端口的相同的電容也能夠利用四個連接電極實現(xiàn)，所述四個連接電極中的兩個分別與霍爾效應(yīng)材料構(gòu)成兩個其他連接電極的一半的電容。具有一半的電容的兩個連接電極于是被彼此連接，并且被分配給相同的端口。

僅霍爾效應(yīng)材料的外周的、與連接電極構(gòu)成電容器的部分分別對于回轉(zhuǎn)器的行為是決定性的。在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，霍爾效應(yīng)材料因此沿著至少一個外周在所示外周的長度的至少2%、優(yōu)選地50%至70%之間與至少一個連接電極構(gòu)成電容器。

在本發(fā)明的另一有利的擴展方案中，至少一個連接電極與霍爾效應(yīng)材料的多個彼此電絕緣的層構(gòu)成電容器。如果霍爾效應(yīng)材料作為多個這樣的層的堆疊存在、例如以片材的形式存在，那么回轉(zhuǎn)效應(yīng)、也即輸出電壓和輸入電流之間的比例常數(shù)的數(shù)值有利地被放大并且電容器的邊緣效應(yīng)被減小。

在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，霍爾效應(yīng)材料是量子霍爾效應(yīng)材料。電荷分離與通過材料的電流方向傾斜的霍爾角度θ于是幾乎是90°。這也適用于沒有量子霍爾效應(yīng)的一些霍爾效應(yīng)材料，諸如砷、銻、鉍、α錫（灰錫）、石墨以及摻雜的半導(dǎo)體的薄層。對于許多其他的材料存在溫度范圍，所述其他的材料在所述溫度范圍內(nèi)同樣具有所述特性。

在90°的霍爾角度的情況下，在霍爾效應(yīng)材料的內(nèi)部中的升高的電勢變化過程導(dǎo)致，能量在“熱點”處不再被消散。無損耗的、同時還是無源的并且因此不產(chǎn)生附加的噪聲的回轉(zhuǎn)器能夠特別有利地在低溫試驗中被使用，其中消散將會導(dǎo)致不期望的加熱。無噪聲性尤其在利用量子比特（Qubits）的試驗中是有利的。但是原則上，在100 MHz之下的無線電和音頻頻率范圍內(nèi)的所有應(yīng)用從按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器的可用性中獲得好處。

理想地，霍爾效應(yīng)材料具有霍爾角度θ，所述霍爾角度θ盡可能近地靠近90°，并且此外要求盡可能小的磁場?；魻柼匦詰?yīng)當不遭受（leiden）用于制造制成的器件回轉(zhuǎn)器的其他處理步驟。如果霍爾效應(yīng)材料可容易地結(jié)構(gòu)化并且可機械加工，并且如果由所述材料組成的多個層可以容易地被并聯(lián)來放大電容器的電容，那么是有利的。

沿著霍爾效應(yīng)材料的外周的邊界條件的推導(dǎo)以以下為出發(fā)點，即在霍爾效應(yīng)材料的內(nèi)部中電流密度矢量至少與電場局部線性地成比例：

，

其中回轉(zhuǎn)器的行為利用所述邊界條件被研究。

其中是霍爾效應(yīng)材料的平面中的二維位置矢量。σ是電導(dǎo)率，所述電導(dǎo)率在兩個維度中具有單位安培每伏特。R_θ是運算子，所述運算子將矢量圍繞軸旋轉(zhuǎn)角度θ，所述軸與磁場平行并且垂直于平面，其中用所述磁場通過霍爾效應(yīng)材料，在所述平面中二維電子氣是可移動的。是所述平面中的任意的單位矢量。是電勢場的梯度。在感興趣的低頻中靜電學的定律足以描述霍爾效應(yīng)材料內(nèi)部中的場。因此，V滿足拉普拉斯方程

。

按照本發(fā)明所設(shè)置的電容性連接電極沿著霍爾效應(yīng)材料的外周引入每單位長度的局部電容作為所述外周上的位置的函數(shù)。在連接電極的區(qū)域中是有限的；在連接電極之間的空隙中下降為零。在電容器的電容C和存儲在所述電容器上的電荷Q之間通常存在關(guān)系

。

時間導(dǎo)數(shù)通向電流密度的表達式：

。

利用開頭列出的用于電流密度的表達式，在假設(shè)具有角頻率ω的V_ext以及V與時間以正弦方式有關(guān)下得出描述按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器的行為的中央邊界條件。所述回轉(zhuǎn)器的正常運轉(zhuǎn)因此已經(jīng)由靜電學的基本定律得出。

具體實施方式

以下，根據(jù)圖闡述本發(fā)明的主題，而不由此限制本發(fā)明的主題。其中：

圖1示出按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器的一種簡單的實施方式?；魻栃?yīng)材料H這里作為圓盤存在。四個金屬的連接電極沿著所述圓盤的周長分別彼此偏移90°地布置，所述連接電極與霍爾效應(yīng)材料H分別構(gòu)成電容器。經(jīng)由兩個相對的輸入電極C_1A和C_1B，交變電流I_H通過霍爾效應(yīng)材料被驅(qū)動。通過霍爾效應(yīng)，垂直于電流方向的霍爾電場E_H通過與垂直于圖面的磁場相結(jié)合的霍爾效應(yīng)產(chǎn)生。所述霍爾電場導(dǎo)致在場方向上的電荷分離。在相對的輸出電極C_2A和C_2B上，相應(yīng)的極化電荷被感應(yīng)，使得在所述兩個輸出電極之間構(gòu)造電勢差。所述電勢差可以作為輸出電壓U₂被量取。輸出電壓U₂與輸入電流I₁同相。

如果在輸出電極C_2A和C_2B之間的電流I₂通過霍爾效應(yīng)材料H被驅(qū)動，那么以類似的方式在輸入電極C_1A和C_1B之間形成輸出電壓U₁，但是具有相反的符號。也即輸出電壓U₁與輸入電流I₂反相。

圖2以側(cè)視圖圖解在連接電極C和霍爾效應(yīng)材料H之間所構(gòu)成的電容器的電容在回轉(zhuǎn)器的運行時間期間的局部的影響。連接電極C通過電介質(zhì)D相對霍爾效應(yīng)材料H絕緣。所述電介質(zhì)D是鐵電體或者非線性電介質(zhì)，使得其介電常數(shù)ε與其內(nèi)部中的電場E有關(guān)，ε=ε（E）?，F(xiàn)在通過電壓源S對兩個輔助電極F₁和F₂饋電，在所述兩個輔助電極之間建立可變的電場。利用所述場，在電介質(zhì)D內(nèi)部中的ε可以被調(diào)整到期望的值。

圖3示出按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器的一種實施例，其中霍爾效應(yīng)材料H具有不規(guī)則碎片形結(jié)構(gòu)。在利用線條和點交替地包圍的區(qū)域中，完全地由（在圖3中未畫入的）電介質(zhì)包圍的霍爾效應(yīng)材料H類似于圖1地與四個連接電極C_1A、C_1B、C_2A和C_2B分別構(gòu)成電容器。不規(guī)則碎片形形狀延長霍爾效應(yīng)材料的外周，而所述霍爾效應(yīng)材料總計不需要更多的空間。這是具有對于外周的每單位長度霍爾效應(yīng)材料的最小消耗的形狀。

圖4示出按照本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器的另一實施例，其中霍爾效應(yīng)材料H具有不規(guī)則碎片形結(jié)構(gòu)。所述材料由很多小六邊形構(gòu)成，其中所述六邊形之間的累接阻抗被忽略。在用虛線包圍的區(qū)域中，霍爾效應(yīng)材料H與三個連接電極C₁、C₂和C₃分別構(gòu)成電容器。在沿著霍爾效應(yīng)材料H的外周的兩個相反的方向上，從一個連接電極到兩個其他（相鄰的）連接電極的路徑分別相等；因此例如從C₂朝向C₁與從C₂朝向C₃是完全一樣遠的。在霍爾效應(yīng)材料H的結(jié)構(gòu)中的孔減少材料消耗，但是所述材料一如既往是完全拓撲體。