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《量子霍爾效應(yīng)》的閱讀題及答案
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(xiàng)成果均獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
量子霍爾效應(yīng)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(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下的芯片中，電子運(yùn)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(yùn)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(jìn)。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(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在高速路上前進(jìn)。
然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場。為了一臺計(jì)算機(jī)的量子霍爾效應(yīng)，相當(dāng)于需外加10個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。
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“量子反常霍爾效應(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(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。多年來，人們一直未能找到能實(shí)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(shí)驗(yàn)上沒有取得任何進(jìn)展。
2006年，美國斯坦福大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(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(shí)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(shí)現(xiàn)量子化反�；魻栃�(yīng)的最佳體系。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(tuán)隊(duì)沿著這個(gè)思路在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反�；魻栃�(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(tuán)隊(duì)，經(jīng)過近4年的研究，生長測量了1000多個(gè)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(yùn)測量裝置上成功觀測到了量子反�；魻栃�(yīng)。這項(xiàng)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(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(jié)束了對量子反�；魻栃�(yīng)多年的探尋，這是一項(xiàng)里程碑式的工作�！敝Z貝爾物理獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧教授說，這是“諾貝爾獎(jiǎng)級的發(fā)現(xiàn)”。
5．關(guān)于“量子霍爾效應(yīng)”與“量子反�；魻栃�(yīng)”的區(qū)別，以下表述小正確的一項(xiàng)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(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(qiáng)的磁場，應(yīng)用時(shí)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(shí)，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(shí)；后者的實(shí)現(xiàn)比前者的實(shí)現(xiàn)更難能可貴，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。
6．下列理解，不符合原文意思的一項(xiàng)是
A．量子霍爾效應(yīng)可以使電子的運(yùn)動由無序變成有序，使得電子在各自特定的軌道上運(yùn)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(yàn)層面證實(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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(xiàng)是：
A．常態(tài)下的芯片中，電子運(yùn)動沒有特定軌道，會相互碰撞，因而計(jì)算機(jī)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(qiáng)的磁場，所以到目前為止，它并未獲得實(shí)際應(yīng)用；也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，對量子反常霍爾效應(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(tuán)隊(duì)之所以能率先證實(shí)量子反�；魻栃�(yīng)，是因?yàn)樗麄儾粌H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(jiǎng)，我們可以斷言薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)將獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 （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(jìn)低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，都能解決計(jì)算機(jī)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(shí)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(tuán)隊(duì)證實(shí)“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(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等）這些問題”太絕對，據(jù)原文意，“量子反常霍爾效應(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(qiáng)的磁場，所以……它并未獲得實(shí)際應(yīng)用”強(qiáng)加因果，也于文無據(jù)；后句說，因?yàn)榱孔踊魻栃?yīng)未能獲得實(shí)際應(yīng)用，所以有必要研究量子反常霍爾效應(yīng)，這也是強(qiáng)加因果，不合原文意思。從原文看，研究量子反�；魻栃�(yīng)之所以必要，是因?yàn)榱孔踊魻栃?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(tuán)隊(duì)將獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”太唐突。“斷言”意謂“十分肯定地說”，依原文，薛其坤團(tuán)隊(duì)很有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但并沒有說十分肯定）
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