《量子霍爾效應》的閱讀題及答案
《量子霍爾效應》的閱讀題及答案
1980年，德國科學家馮?克利青發現整數量子霍爾效應，1982年，美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應，這兩項成果均獲得諾貝爾物理學獎。
量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域中最重要、最基本的量子效應之一。它的應用前景非常廣泛。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下的晶片中，電子運動沒有特定的軌道，會相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以為電子的運動制定一定的規則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。好比一輛高階跑車，常態下是在擁擠的農貿市場上前進，而在量子霍爾效應下，則可以在高速路上前進。
然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場。為了一臺計算機的量子霍爾效應，相當於需外加10個計算機大的磁鐵，不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和行動式計算機。
1988年，美國物理學家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，即“量子反常霍爾效應”。它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質，是一種全新的量子效應；但它的實現也更加困難，需要精準的材料設計、製備與調控。多年來，人們一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。
2006年，美國斯坦福大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，並於2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應的新方向。2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系。這個方案引起了國際學術界的廣泛關注。德國、美國、日本等國有多個世界一流的研究團隊沿著這個思路在實驗上尋找量子反常霍爾效應，但一直沒有取得突破。
由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯合組成的團隊，經過近4年的研究，生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜(Bi，Sb) 2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。這項研究成果將推動新一代低能耗電晶體和電子學器件的發展，可能加速推進資訊科技革命程序。
2013年3月14日，該成果發表於美國《科學》雜誌。《科學》雜誌的評審作出評價：“這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋，這是一項里程碑式的工作。”諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授說，這是“諾貝爾獎級的發現”。
5．關於“量子霍爾效應”與“量子反常霍爾效應”的區別，以下表述小正確的一項是：
A．前者是整個凝聚態物理領域中最重要、最基本的`量子效應之一；後者具有與前者完全不同的物理本質，是一種全新的量子效應。
B．前者應用前景廣泛；後者則屬於特殊情況下的量子效應，應用前景限於低能耗電晶體和電子學器件方面。
C．前者的產牛需要非常強的磁場，應用時難免器件體積過大、成本過高；後者的產生不需要外磁場，應用時，能使得器件的體積小不至於過大。
D．前者於1980年被發現，後者於2013年被證實；後者的實現比前者的實現更難能可貴，需要精準的材料設計、製備與調控。
6．下列理解，不符合原文意思的一項是
A．量子霍爾效應可以使電子的運動由無序變成有序，使得電子在各自特定的軌道上運動，在很大程度上．避免電子相互碰撞，避免其能量的無謂損耗。
B．要在試驗層面證實量子反常霍爾效應，對科學家而育足十分嚴峻的挑戰，既需要有很特殊的材料體系，也需要有很特殊的物理途徑。
C．薛其坤領銜的團隊利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜(Bi，Sb) 2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，在這一材料中，就存在著量子反常霍爾效應。
D．曾有科學家提出，磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子反常霍爾效應的最佳體系，但經德、美、日等多國科學家的實踐證明，這條思路行不通。
7.根據原文內容，下列推斷正確的一項是：
A．常態下的晶片中，電子運動沒有特定軌道，會相互碰撞，因而計算機會出現發熱、能量損耗、速度變慢等問題。量子霍爾效應的具體應用，才能解決這些問題。 （不是唯一條件）
B．由於量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，所以到目前為止，它並未獲得實際應用；也正是因為這個原因，對量子反常霍爾效應的研究才顯得十分必要。 （因果推斷不成立）
C．薛其坤領銜的研究團隊之所以能率先證實量子反常霍爾效應，是因為他們不僅吸納了其他科學家的研究成果，掌握了正確的研究途徑，而且在方法上有自己的創新。
D．鑑於發現整數量子霍爾效應的德國科學家和發現分數量了霍爾效應的芙國科學家均獲得諾貝爾物理學獎，我們可以斷言薛其坤院士領銜的團隊將獲得諾貝爾物理學獎。 （絕對化）
試題答案：
5．答案：5.B（從原文所闡述的科學原理看，“量子反常霍爾效應”與“量子霍爾效應” 的應用前景沒有什麼區別，都能促進低能耗電晶體和電子學器件的發展，都能解決計算機能量損耗、發熱、速度變慢等問題。）
6．答案：6.D（“這條思路行不通”誤解文意。據原文意，方忠、戴希、張首晟等人提出的“磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系”的設想，是後來薛其坤團隊證實“量子反常霍爾效應”的指路明燈。雖先前德、美、日等國科學家在此思路上未取得突破，但不能據此認為“這條思路行不通”。）
答案：7.C（A“量子霍爾效應的具體應用，才能解決（計算機發熱、能量損耗、速度變慢等）這些問題”太絕對，據原文意，“量子反常霍爾效應”的具體應用，也能解決這些問題。B 前句“由於量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，所以……它並未獲得實際應用”強加因果，也於文無據；後句說，因為量子霍爾效應未能獲得實際應用，所以有必要研究量子反常霍爾效應，這也是強加因果，不合原文意思。從原文看，研究量子反常霍爾效應之所以必要，是因為量子霍爾效應的應用存在著器件體積過大、成本過高的問題。D“……斷言薛其坤院士領銜的團隊將獲得諾貝爾物理學獎”太唐突。“斷言”意謂“十分肯定地說”，依原文，薛其坤團隊很有可能獲得諾貝爾物理學獎，但並沒有說十分肯定）