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《量子霍爾效應》的閱讀題及答案
1980年，德國科學(xué)家馮?克利青發(fā)現整數量子霍爾效應，1982年，美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現分數量子霍爾效應，這兩項成果均獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
量子霍爾效應是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)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(shí)候，會(huì )遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。這是因為常態(tài)下的芯片中，電子運動(dòng)沒(méi)有特定的軌道，會(huì )相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應則可以為電子的運動(dòng)制定一定的規則，讓它們在各自的跑道上“一往無(wú)前”地前進(jìn)。好比一輛高級跑車(chē)，常態(tài)下是在擁擠的農貿市場(chǎng)上前進(jìn)，而在量子霍爾效應下，則可以在高速路上前進(jìn)。
然而，量子霍爾效應的產(chǎn)生需要非常強的磁場(chǎng)。為了一臺計算機的量子霍爾效應，相當于需外加10個(gè)計算機大的磁鐵，不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計算機。
1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應，即“量子反�；魻栃�。它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應；但它的實(shí)現也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。多年來(lái)，人們一直未能找到能實(shí)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(kāi)始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗上沒(méi)有取得任何進(jìn)展。
2006年，美國斯坦福大學(xué)張首晟教授領(lǐng)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，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實(shí)現量子反�；魻栃男路较�。2010年，我國理論物理學(xué)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(shí)現量子化反�；魻栃淖罴洋w系。這個(gè)方案引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國、美國、日本等國有多個(gè)世界一流的研究團隊沿著(zhù)這個(gè)思路在實(shí)驗上尋找量子反�；魻栃�，但一直沒(méi)有取得突破。
由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團隊，經(jīng)過(guò)近4年的研究，生長(cháng)測量了1000多個(gè)樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長(cháng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi，Sb) 2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功觀(guān)測到了量子反�；魻栃�。這項研究成果將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。
2013年3月14日，該成果發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志�！犊茖W(xué)》雜志的評審作出評價(jià)：“這篇文章結束了對量子反�；魻栃嗄甑奶綄�，這是一項里程碑式的工作�！敝Z貝爾物理獎得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(cháng)楊振寧教授說(shuō)，這是“諾貝爾獎級的發(fā)現”。
5．關(guān)于“量子霍爾效應”與“量子反�；魻栃钡膮^別，以下表述小正確的一項是：
A．前者是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應之一；后者具有與前者完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應。
B．前者應用前景廣泛；后者則屬于特殊情況下的量子效應，應用前景限于低能耗晶體管和電子學(xué)器件方面。
C．前者的產(chǎn)牛需要非常強的磁場(chǎng)，應用時(shí)難免器件體積過(guò)大、成本過(guò)高；后者的產(chǎn)生不需要外磁場(chǎng)，應用時(shí)，能使得器件的體積小不至于過(guò)大。
D．前者于1980年被發(fā)現，后者于2013年被證實(shí)；后者的實(shí)現比前者的實(shí)現更難能可貴，需要精準的材料設計、制備與調控。
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(dòng)由無(wú)序變成有序，使得電子在各自特定的軌道上運動(dòng)，在很大程度上．避免電子相互碰撞，避免其能量的無(wú)謂損耗。
B．要在試驗層面證實(shí)量子反�；魻栃�，對科學(xué)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(lǐng)銜的團隊利用分子束外延方法，生長(cháng)出了高質(zhì)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(zhù)量子反�；魻栃�。
D．曾有科學(xué)家提出，磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實(shí)現量子反�；魻栃淖罴洋w系，但經(jīng)德、美、日等多國科學(xué)家的實(shí)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(tài)下的芯片中，電子運動(dòng)沒(méi)有特定軌道，會(huì )相互碰撞，因而計算機會(huì )出現發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。量子霍爾效應的具體應用，才能解決這些問(wèn)題。 （不是唯一條件）
B．由于量子霍爾效應的產(chǎn)生需要非常強的磁場(chǎng)，所以到目前為止，它并未獲得實(shí)際應用；也正是因為這個(gè)原因，對量子反�；魻栃难芯坎棚@得十分必要。 （因果推斷不成立）
C．薛其坤領(lǐng)銜的研究團隊之所以能率先證實(shí)量子反�；魻栃�，是因為他們不僅吸納了其他科學(xué)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(chuàng )新。
D．鑒于發(fā)現整數量子霍爾效應的德國科學(xué)家和發(fā)現分數量了霍爾效應的芙國科學(xué)家均獲得諾貝爾物理學(xué)獎，我們可以斷言薛其坤院士領(lǐng)銜的團隊將獲得諾貝爾物理學(xué)獎。 （絕對化）
試題答案：
5．答案：5.B（從原文所闡述的科學(xué)原理看，“量子反�；魻栃迸c“量子霍爾效應” 的應用前景沒(méi)有什么區別，都能促進(jìn)低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，都能解決計算機能量損耗、發(fā)熱、速度變慢等問(wèn)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(shí)現量子化反�；魻栃淖罴洋w系”的設想，是后來(lái)薛其坤團隊證實(shí)“量子反�；魻栃钡闹嘎访鳠�。雖先前德、美、日等國科學(xué)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(fā)熱、能量損耗、速度變慢等）這些問(wèn)題”太絕對，據原文意，“量子反�；魻栃钡木唧w應用，也能解決這些問(wèn)題。B 前句“由于量子霍爾效應的產(chǎn)生需要非常強的磁場(chǎng)，所以……它并未獲得實(shí)際應用”強加因果，也于文無(wú)據；后句說(shuō)，因為量子霍爾效應未能獲得實(shí)際應用，所以有必要研究量子反�；魻栃�，這也是強加因果，不合原文意思。從原文看，研究量子反�；魻栃员匾�，是因為量子霍爾效應的應用存在著(zhù)器件體積過(guò)大、成本過(guò)高的問(wèn)題。D“……斷言薛其坤院士領(lǐng)銜的團隊將獲得諾貝爾物理學(xué)獎”太唐突�！皵嘌浴币庵^“十分肯定地說(shuō)”，依原文，薛其坤團隊很有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎，但并沒(méi)有說(shuō)十分肯定）
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