《量子霍爾效應(yīng)》的閱讀題及答案

時間：2023-06-19 01:17:53 閱讀答案我要投稿

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　　1980年，德國科學(xué)家馮?克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年，美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項成果均獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

《量子霍爾效應(yīng)》的閱讀題及答案

　　量子霍爾效應(yīng)是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下的芯片中，電子運動沒有特定的軌道，會相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以為電子的運動制定一定的規(guī)則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在高速路上前進。

　　然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場。為了一臺計算機的量子霍爾效應(yīng)，相當(dāng)于需外加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的量子霍爾效應(yīng)，即“量子反�；魻栃�(yīng)”。它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)；但它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。多年來，人們一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)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(xué)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(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體中實現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)的新方向。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?fù)浣^緣體有可能是實現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。這個方案引起了國際學(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(yīng)，但一直沒有取得突破。

　　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(zhì)量的Cr摻雜(Bi，Sb) 2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反�；魻栃�(yīng)。這項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命進程。

　　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：“這篇文章結(jié)束了對量子反�；魻栃�(yīng)多年的探尋，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)高等研究院名譽院長楊振寧教授說，這是“諾貝爾獎級的發(fā)現(xiàn)”。

　　5．關(guān)于“量子霍爾效應(yīng)”與“量子反常霍爾效應(yīng)”的區(qū)別，以下表述小正確的一項是：

　　A．前者是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應(yīng)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(yīng)。

　　B．前者應(yīng)用前景廣泛；后者則屬于特殊情況下的量子效應(yīng)，應(yīng)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，應(yīng)用時難免器件體積過大、成本過高；后者的產(chǎn)生不需要外磁場，應(yīng)用時，能使得器件的體積小不至于過大。

　　D．前者于1980年被發(fā)現(xiàn)，后者于2013年被證實；后者的實現(xiàn)比前者的實現(xiàn)更難能可貴，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。

　　6．下列理解，不符合原文意思的一項是

　　A．量子霍爾效應(yīng)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�；魻栃�(yīng)，對科學(xué)家而育足十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，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，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi，Sb) 2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，在這一材料中，就存在著量子反�；魻栃�(yīng)。

　　D．曾有科學(xué)家提出，磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)的最佳體系，但經(jīng)德、美、日等多國科學(xué)家的實踐證明，這條思路行不通。

　　7.根據(jù)原文內(nèi)容，下列推斷正確的一項是：

　　A．常態(tài)下的芯片中，電子運動沒有特定軌道，會相互碰撞，因而計算機會出現(xiàn)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。量子霍爾效應(yīng)的具體應(yīng)用，才能解決這些問題。（不是唯一條件）

　　B．由于量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，所以到目前為止，它并未獲得實際應(yīng)用；也正是因為這個原因，對量子反�；魻栃�(yīng)的研究才顯得十分必要。（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量子反�；魻栃�(yīng)，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(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的德國科學(xué)家和發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量了霍爾效應(yīng)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�(yīng)”與“量子霍爾效應(yīng)” 的應(yīng)用前景沒有什么區(qū)別，都能促進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、速度變慢等問題。）

　　6．答案：6.D（“這條思路行不通”誤解文意。據(jù)原文意，方忠、戴希、張首晟等人提出的“磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實現(xiàn)量子化反�；魻栃�(yīng)的最佳體系”的設(shè)想，是后來薛其坤團隊證實“量子反�；魻栃�(yīng)”的指路明燈。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(jù)此認(rèn)為“這條思路行不通”。）

　　答案：7.C（A“量子霍爾效應(yīng)的具體應(yīng)用，才能解決（計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等）這些問題”太絕對，據(jù)原文意，“量子反�；魻栃�(yīng)”的具體應(yīng)用，也能解決這些問題。B 前句“由于量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，所以……它并未獲得實際應(yīng)用”強加因果，也于文無據(jù)；后句說，因為量子霍爾效應(yīng)未能獲得實際應(yīng)用，所以有必要研究量子反常霍爾效應(yīng)，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(yīng)之所以必要，是因為量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)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(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”，依原文，薛其坤團隊很有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎，但并沒有說十分肯定）

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