《量子霍尔效应》阅读答案

《量子世界的“中国神探”》阅读练习附答案试题内容：（二）阅读下面的文字，完成4～6题。

量子世界的“中国神探”万玉凤首次从实验上观测到量子反常霍尔效应，这一世界基础研究领域的重大发现，让薛其坤以国际著名实验物理学家的身份进入公众视野。

荣誉背后，是每天早上7点到实验室，夜里11点才离开，这个作息时间薛其坤保持了20年。

在学生眼里，薛其坤乐观，幽默、充满活力，大部分时候都很和蔼，还经常买好吃的“贿赂”他们。

但对实验技术与科研训练，薛老师的要求却近乎苛刻。

写报告，一个标点符号的错误，他都会挑出来；操作仪器，是按顺时针还是逆时针，他都要求学生养成习惯，做到闭着眼睛都能操作无误。

薛其坤说，不能让学生为了发文章、好找工作而来做实验，而是希望他们志在把某个科学问题搞清楚，并在这个过程中培养他们科研的基本技能，让他们学到从科研执行者到指挥者的方法和路径。

“练好‘童子功’，科研机会来了，你就能抓住它。

”学生常翠祖就尝到了甜头。

他在麻省理工学院做博士后期间，凭借在薛其坤科研团队打下的扎实功底，成功帮助麻省理工重复实验并验证了量子反常霍尔效应。

要想真正进入科学殿堂，“童子功”只是第一步。

薛其坤也是在国内做了5年基础研究，又在日本、美国留学，经历了近乎“魔鬼式”的科研训练之后，才渐入佳境。

在美国物理学家霍尔发现反常霍尔效应130多年后，2013年3月，薛其坤带领的团队实现了反常霍尔效应的量子化，这是中国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理效应，也是世界基础研究领域的一项重大科学发现。

薛其坤将攻克量子反常霍尔效应的秘诀，归结为“团队攻关十高超的实验技术”，相比于积累了近20年的实验技术，他更看重团队攻关的力量。

薛其坤深知，要想真正实现协同作战并非易事，特别是在实验物理领域，就像一台机器，只有每个零部件都能发挥最大作用，才能运转良好。

“这不仅要明晰大目标，还要确认每个人的攻关重点，理顺彼此之间的关系，加之基础研究本身的不确定性，随时可能遭遇挫败。

量子霍尔效应的边界态解释
量子霍尔效应是一种量子力学现象，它发生在二维电子系统中，当这些系统处于低温和高磁场的条件下。

在这种情况下，电子的行为将受到量子效应的影响。

在量子霍尔效应中，电子将被束缚在二维平面上，而在该平面上存在着一个恒定的磁场。

电子将在横向磁场的作用下发生
霍尔漂移，从而在材料内部形成了一个电压梯度。

这种效应
被称为霍尔电压，它垂直于电流方向。

根据遵循量子霍尔效应的材料的不同，电子的边界态也会不同。

在整个材料内，电子将根据磁场和能带结构等因素自发地形成特定的能级结构，即能级间隔。

而在材料的边界附近，存在特殊的边界态，这些态是没有在体积内形成的常规电子态。

边界态的出现源于量子力学的约束条件和边界条件。

边界态的行为在很大程度上由维度和边界条件所决定。

例如，对于四边形形状的二维系统，边界态可能会聚集在角落周围。

而在边界上修剪得更加光滑的系统中，边界态可能会扩展到整个边界。

这些边界态具有特殊的能级结构，并且在系统的整个体积范围内都是能带间隔的终止态。

这些态在量子霍尔效应的测量中起到重要作用，它们具有特殊的电导行为，这种行为与体积内的常规电子态不同。

总之，量子霍尔效应中的边界态是由于量子力学的约束条件和
边界条件导致的特殊电子态。

这些态对电导行为有重要影响，并且在二维电子系统的霍尔效应研究中具有重要意义。

量子反常霍尔效应（Quantum Anomalous Hall Effect，QAHE）是一种量子力学效应，描述了二维电子系统中发现的特殊霍尔效应。

与普通霍尔效应不同的是，量子反常霍尔效应在零外部磁场下产生。

在一个二维材料中，当具备一定的条件时，例如存在强磁场和具有特定的拓扑结构，电子系统可以展现出非常规的电子输运行为。

量子反常霍尔效应是其中一种现象，它在零外部磁场下产生一个完全极化的电导通道，电荷仅沿一个方向流动，而无反向散射。

这种全极化的导电状态使得量子反常霍尔效应在量子计算和低功耗自旋电子学设备中具有潜在应用。

量子反常霍尔效应的产生和研究需要特殊的材料系统。

一种常见的实现方式是通过引入拓扑绝缘体材料，并将其结合到磁性材料中，从而产生磁性拓扑绝缘体。

这种材料在零外部磁场下，通过自发的磁矩排列和拓扑性质的组合，导致了量子反常霍尔效应的出现。

研究人员对量子反常霍尔效应的研究旨在揭示其基本物理原理，并探索其在量子计算和自旋电子学领域的潜在应用。

该效应还有助于我们更好地理解拓扑物理学和量子力学中的新奇现象，进一步推进科学的发展和技术的应用。

量子力学中的量子霍尔效应在量子力学中，量子霍尔效应是一种非常重要的物理现象。

它是指在二维电子气系统中，当外加磁场强度达到某个临界值时，电导出现明显的量子跃迁。

量子霍尔效应的发现和研究不仅对于深入理解固体材料和凝聚态物理学有着重要的意义，也为微电子学领域的发展提供了重要的理论基础。

量子霍尔效应最早由德国物理学家冯·克利兹因（von Klitzing）在1980年发现，为此他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

克利兹因通过实验观测到，在实验装置中应用了极低的温度和强磁场下，电阻会以递增的方式随着磁场的变化而呈现出规律性的跃迁，这种跃迁以量子单位（即普朗克常数的倒数）为间隔，因此被称为量子霍尔效应。

量子霍尔效应的实验证实了量子化的电导现象，即电流在二维电子气体中的传输被限制为不连续的量子跃迁。

这种现象是由于二维电子气体中电子的能级分布被磁场量化，也就是说，电子只能在某些特定的能级上存在，并且只能在这些能级之间发生跃迁。

在量子霍尔系统中，存在一个能带结构，称为朗道能级，电子只能在朗道能级之间跃迁。

这种跃迁是量子化的，导致电导在磁场强度达到一定值时，出现跃迁的间隔。

量子霍尔效应的发现不仅理论上验证了电子的量子性质，而且实际应用上具有重要的意义。

例如，在一些高纯度半导体材料中，由于存在着量子霍尔效应，电流只能在材料边缘的特定路径上流动，而不能沿着材料内部传输。

这种边缘电流的存在使得量子霍尔效应具有很高的精度和稳定性，因此被广泛应用于高精度的电阻标准和电子计量学中。

除了量子霍尔效应适用于二维电子气体的情况，近年来也有关于量子霍尔效应在三维材料中的研究。

三维拓扑绝缘体就是一种能够展现类似量子霍尔效应的现象的材料。

这些材料同样在一个特定区域内具有边缘电流的方式传导电子，而在该区域外则具有绝缘特性。

这种三维量子霍尔效应开辟了一条新的研究方向，对于量子材料和拓扑绝缘体的研究具有重要意义。

总结一下，在量子力学中，量子霍尔效应作为一种非常重要的物理现象，不仅从实验证实了电子的量子性质，也为微电子学和凝聚态物理学的发展提供了重要的理论基础。

2025届浙江省杭州第十四中学高三第四次模拟考试语文试卷考生须知：1．全卷分选择题和非选择题两部分，全部在答题纸上作答。

选择题必须用2B铅笔填涂；非选择题的答案必须用黑色字迹的钢笔或答字笔写在“答题纸”相应位置上。

2．请用黑色字迹的钢笔或答字笔在“答题纸”上先填写姓名和准考证号。

3．保持卡面清洁，不要折叠，不要弄破、弄皱，在草稿纸、试题卷上答题无效。

1、阅读下面的文字，完成下面小题。

对大部分人来说，还不知道“量子”是什么的时候，“量子内衣”“量子床垫”“量子眼镜”“量子饮料”等“量子产品”就已经耳熟能详了。

在搜索网站上输入“量子产品”，辟谣、科普的新闻报道中总会夹杂着“量子产品”的广告推广；在贴吧论坛中，有企业回答了“量子产品是真的吗”的问题：量子产品是真的，是运用现代医学研究发现与量子理论相结合而生产出来的，可以纠正紊乱细胞的磁场，达到改善微循环障碍的目的，使得身体所有细胞有充足的氧气……看到这里，笔者也只能苦笑了。

尽管科学家们一直在辟谣，例如中国科学院院士、量子通信专家潘建伟就在采访中明确提醒：“现在民间有一些厂家利用量子的概念来推荐量子包装的保健品。

这些几乎都是假的，不要受骗上当。

”但科学的声音总会被花样更多、声势更大、传播更广泛的广告所湮没。

有评论认为，击破“量子产品”谎言需要加大科普力度。

这话没错，毕竟让大家更多了解量子物理，就不会那么容易上当受骗。

但问题在于，与经典物理不同，量子物理难以通俗化、科普化。

经典物理中的理论往往与日常生活经验一致，即便没有一定的理论基础，通过适当的方式也能够让大家了解、明白。

可量子物理已经超出了日常生活经验，对于没有接受过系统专业教育的人来说，非常难以理解和想象——曾有位物理学家说，从开始用日常语言表述量子物理那一刻，就已经错了。

不仅如此，即便我们能够找到一种合适的方法科普量子物理，这个问题也难以靠科学的方式来解决。

毕竟，广告的受众上至耄耋，下至垂髫，这让科普的工作相当艰难。

什么是“量子霍尔效应”？"量子自旋霍尔效应"是指找到了电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地"舞蹈"，从而使能量耗散很低。

在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下（即保持时间反演对称性的条件下），特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，即量子自旋霍尔效应。

如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被抑制。

比如，通过铁磁性，这自然的会导致量子反常霍尔效应。

铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于材料磁化带来的反常霍尔效应部分组成。

量子反常霍尔效应指的是反常霍尔效应部分的量子化。

量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子反常霍尔效应的研究进程。

前期的理论预言指出，量子反常霍尔效应能够通过抑制H gT e系统中的一条自旋通道来实现。

遗憾的是，目前还没有能够在这个材料系统实现铁磁性，即而无法实现量子化反常霍尔效应。

后来又有理论预言指出，将B i2Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂，就有可能能够实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。

这个理论预言被常翠祖等人通过实验证实。

(要在实验上实现量子反常霍尔效应，)常翠祖等人需要战胜一系列非常困难的材料问题。

量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。

上面理论预言的Bi2Se3体系，由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。

为了避免这个问题，他们选择了(B i1-x Sb x)2T e3体系。

这个体系中，可以通过改变S b的组分x，他们能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。

通过对材料各种参数进一步的不断优化，他们最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。

他们观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。

霍尔效应和量子反常霍尔效应嘿，朋友！咱们今天来聊聊霍尔效应和量子反常霍尔效应。

你知道吗，霍尔效应就像是电子在磁场中的一场独特“舞蹈”。

想象一下，电子们在导体中欢快地奔跑，当有磁场这个“大导演”出现时，它们的运动轨迹就发生了奇妙的变化。

正常情况下的霍尔效应，就好像是一群孩子在没有规则的操场上自由奔跑。

突然，来了一位严格的老师，用他的“磁场魔法”让孩子们的队伍变得整齐有序。

这就是磁场对电流中的电子产生了作用，从而在导体的垂直方向上出现了电压。

那量子反常霍尔效应又是啥呢？这可厉害了！它就像是电子在一个超级神奇的舞台上表演，这个舞台有着独特的规则和魅力。

普通的霍尔效应中，电子们的运动还会受到一些干扰和阻碍。

但在量子反常霍尔效应里，电子仿佛穿上了“魔法防护服”，能够毫无阻碍、有序地奔跑。

这意味着能量的损耗大大降低，就好像一辆车在无比顺畅的道路上飞驰，几乎不费油！你想想看，如果我们能把量子反常霍尔效应运用到各种电子设备中，那会是怎样的一番景象？手机充电一次能用好久好久，电脑运行速度快得像闪电，各种电器都变得超级节能高效。

科学家们为了探索和实现量子反常霍尔效应，那可是付出了巨大的努力。

这就好比是在黑暗中摸索着寻找宝藏，一次次的尝试，一次次的失败，但他们从不放弃。

就拿实验来说吧，得准备各种精密的仪器和材料，每一个细节都不能马虎。

稍微有点偏差，就可能得不到想要的结果。

这可不比咱们在家里做个小手工，做错了还能重来。

这是在科学的高峰上攀登，每一步都充满了挑战。

咱们普通人虽然不能直接参与到这些高深的科学研究中，但了解这些知识也是很有意义的呀！说不定哪天，这些科学成果就改变了咱们的生活。

总之，霍尔效应和量子反常霍尔效应是科学界的瑰宝，它们的发现和研究为人类的科技进步打开了新的大门，难道不是吗？让我们一起期待它们带来更多的惊喜吧！。

量子霍尔效应的应用量子霍尔效应是指在二维电子气体中，当外加磁场达到一定大小时，电子在横向电场作用下产生整数或分数的霍尔电导。

这一现象在凝聚态物理学领域引起了广泛的关注，并且在实际应用中也有着重要的意义。

量子霍尔效应在电子学领域中具有重要的应用。

由于量子霍尔效应在零磁场下具有高度的电阻率，在高频电路中可以用作低噪声放大器。

此外，由于在量子霍尔效应中只有边缘电流，而无内部电流，因此可以用来实现非常低的功耗电子器件。

这些特性使得量子霍尔效应在电子学领域中有着广泛的应用前景。

量子霍尔效应在量子计算中也具有重要的应用潜力。

量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，相比传统计算机具有更高的计算速度和更强的计算能力。

而量子霍尔效应作为一种能够在低温下实现量子纠缠的现象，在量子计算中可以用来构建稳定的量子比特和量子门。

这一特性为量子计算的实际应用提供了可能。

量子霍尔效应还在拓扑绝缘体研究中发挥了重要作用。

拓扑绝缘体是一种特殊的绝缘体材料，其表面存在能量较低的拓扑边缘态。

量子霍尔效应被认为是拓扑绝缘体的经典示例，因为它与材料的拓扑性质密切相关。

通过研究量子霍尔效应，科学家们可以更好地理解和探索拓扑绝缘体的性质，为新型拓扑量子计算器件的设计和制备提供理论指导。

量子霍尔效应还在量子精密测量中具有重要应用。

量子霍尔效应可以通过测量霍尔电阻来确定电子的基本电荷，从而为精密测量提供基准。

例如，在量子电阻计中，可以利用量子霍尔效应来实现对电阻的高精度测量。

这一应用对于科学研究和工程技术都具有重要意义。

量子霍尔效应作为凝聚态物理学中的重要现象，在多个领域都具有重要的应用价值。

从电子学到量子计算、拓扑绝缘体研究、量子精密测量等方面，量子霍尔效应的应用正在不断拓展和深入。

随着对量子霍尔效应的深入研究和理解，相信它将在更多领域展现出意想不到的应用潜力，为科学技术的发展做出更大的贡献。