《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
《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。
霍尔效应专题教育课件
背景简介
分数量子霍尔效应
崔琦
Horst Stormer
用高纯度半导体材料，在超低温 环境：仅比绝对零度高十分之一 摄氏度（约－273℃），超强磁 场：当于地球磁场强度100万倍 研究量子霍尔效应时发觉了分数 量子霍尔效应，这个发觉使人们
对量子现象旳认识更进一步。
Robert Laughlin
构造出了分数量子霍尔系统旳解 析波函数，给分数量子霍尔效应 作出了理论解释
fe eEH
（3）（此力方向向上）
电子受到电场力 fe 和磁场力 fB 旳作用，一方面使电
子向下偏移，另一方面电子又受到向上旳阻碍电子向下偏移
旳力。因为这两个力旳作用所以电子在半导体试样侧面旳积
累不会无限止地进行下去：在开始阶段，电场力比磁场力小，
电荷继续向侧面积累，伴随积累电荷旳增长，电场力不断增
霍尔效应中旳负效应
能斯特效应
沿x方向通以电流，两端电极与样品旳 接触电阻不同而产生不同旳焦耳热，致 使x方向产生温度梯度，这一温度梯度 引起一附加旳纵向热扩散电流，在磁场 旳作用下，从而在y轴方向产生横向电 位差，为能斯特电压。
ＵN∝Ｑx·Ｂz
ＵN方向只与Ｂ方向有关。
霍尔效应中旳负效应
里吉-勒迪克效应
4、当代汽车工业上应用
汽车上广泛应用旳霍尔器件就涉及：信号传感器、 ABS系统中旳速度传感器、汽车速度表和里程表、液体 物理量检测器、多种用电负载旳电流检测及工作状态诊 疗、发动机转速及曲轴角度传感器、多种开关等。
例如用在汽车开关电路上旳功率霍尔电路，具有 克制电磁干扰旳作用。因为汽车旳自动化程度越高，微 电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具 和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点 产生电弧，产生较大旳电磁干扰信号。采用功率霍尔开 关电路就能够减小这些现象。
量子霍尔效应的边界态解释
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 -回复
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
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含解析
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”？
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
d
b IS
+
+
+
+
+ + +
v
fe
+
I S envbd （1）
—
— — —
— — — —
fB
IS
l
若在 Z 轴方向加上恒定的磁场 B ，电子电荷在沿 X 轴负方 向运动时将受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力用 fB 表示：
f B evB
（2）
由于洛伦兹力的作用，使得电子将沿 f B 的方向向下侧偏 P 移（即 y 轴的负方向），这样就引起了 S 侧电子的积累， 侧正电荷的积累，从而使两侧出现电势差，且 P 点高于 S 点，所以在试样中形成了横向电场 EH ， 这一电场就称为霍 尔电场。该电场又对工业上应用 汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、 ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体 物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊 断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等。 例如 用在汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有 抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高，微 电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具 和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点 产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开 关电路就可以减小这些现象。
f B fe
即
evB eEH
（4）
EH vB
IS B U H VP VS EH b vBb ned
1 RH ne
（5）
（6）
由固体物理理论可以证明金属的霍尔系数为
（7）
RH 式中 n 为载流子浓度，e 为载流子所带的电量。 是一常量，仅与导体材料有关，它是反映材料霍 尔效应强弱的重要参数
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《量子霍尔效应》阅读答案
《量子霍尔效应》阅读答案
阅读下面文字，完成5-7题。（9分，每小题3分）
1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国
科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果均获得诺贝
尔物理学奖。
量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域中最重要、最基本的量子效应之
一。它的应用前景非常广泛。我们使用计算机的时候，会遇到计算机
发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下的芯片中，电子
运动没有特定的轨道，会相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效
应则可以为电子的运动制定一定的规则，让它们在各自的跑道上“一往
无前”地前进。好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，
而在量子霍尔效应下，则可以在高速路上前进。
然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场。为了一台计算机的量
子霍尔效应，相当于需外加10个计算机大的磁铁，不但体积庞大，而
且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。
1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔
效应，即“量子反常霍尔效应”。它与已知的量子霍尔效应具有完全不同
的物理本质，是一种全新的量子效应；但它的实现也更加困难，需要
精准的材料设计、制备与调控。多年来，人们一直未能找到能实现这
一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。自1988年开始，就不断
有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。
2006年，美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维
拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的
拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物
理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝
缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了
国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等国有多个世界一流的研
究团队沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取
得突破。
由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学
研究人员联合组成的团队，经过近4年的研究，生长测量了1000多个
样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂(Bi，
Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到
了量子反常霍尔效应。这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电
子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。
2013年3月14日，该成果发表于美国《科学》杂志。《科学》杂志的
评审作出评价：“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这
是一项里程碑式的工作。”诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名
誉院长杨振宁教授说，这是“诺贝尔奖级的发现”。
5．关于“量子霍尔效应”与“量子反常霍尔效应”的区别，以下表述小正
确的一项是：
A．前者是整个凝聚态物理领域中最重要、最基本的量子效应之一；后
者具有与前者完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应。
B．前者应用前景广泛；后者则属于特殊情况下的量子效应，应用前景
限于低能耗晶体管和电子学器件方面。
C．前者的产牛需要非常强的磁场，应用时难免器件体积过大、成本过
高；后者的产生不需要外磁场，应用时，能使得器件的体积小不至于
过大。
D．前者于1980年被发现，后者于2013年被证实；后者的实现比前者
的实现更难能可贵，需要精准的材料设计、制备与调控。
答案：5.B（从原文所阐述的科学原理看，“量子反常霍尔效应”与“量子
霍尔效应”的应用前景没有什么区别，都能促进低能耗晶体管和电子学
器件的发展，都能解决计算机能量损耗、发热、速度变慢等问题。）
6．下列理解，不符合原文意思的一项是
A．量子霍尔效应可以使电子的运动由无序变成有序，使得电子在各自
特定的轨道上运动，在很大程度上．避免电子相互碰撞，避免其能量
的无谓损耗。
B．要在试验层面证实量子反常霍尔效应，对科学家而育足十分严峻的
挑战，既需要有很特殊的材料体系，也需要有很特殊的物理途径。
C．薛其坤领衔的团队利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺
杂(Bi，Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，在这一材料中，就存在着量子反
常霍尔效应。
D．曾有科学家提出，磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子反
常霍尔效应的最佳体系，但经德、美、日等多国科学家的实践证明，
这条思路行不通。
答案：6.D（“这条思路行不通”误解文意。据原文意，方忠、戴希、张
首晟等人提出的“磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反
常霍尔效应的最佳体系”的设想，是后来薛其坤团队证实“量子反常霍尔
效应”的指路明灯。虽先前德、美、日等国科学家在此思路上未取得突
破，但不能据此认为“这条思路行不通”。）
7.根据原文内容，下列推断正确的一项是：
A．常态下的芯片中，电子运动没有特定轨道，会相互碰撞，因而计算
机会出现发热、能量损耗、速度变慢等问题。量子霍尔效应的具体应
用，才能解决这些问题。（不是唯一条件）
B．由于量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，所以到目前为止，它
并未获得实际应用；也正是因为这个原因，对量子反常霍尔效应的研
究才显得十分必要。（因果推断不成立）
C．薛其坤领衔的研究团队之所以能率先证实量子反常霍尔效应，是因
为他们不仅吸纳了其他科学家的研究成果，掌握了正确的研究途径，
而且在方法上有自己的创新。
D．鉴于发现整数量子霍尔效应的德国科学家和发现分数量了霍尔效应
的芙国科学家均获得诺贝尔物理学奖，我们可以断言薛其坤院士领衔
的团队将获得诺贝尔物理学奖。（绝对化）
答案：7.C（A“量子霍尔效应的具体应用，才能解决（计算机发热、能
量损耗、速度变慢等）这些问题”太绝对，据原文意，“量子反常霍尔效
应”的具体应用，也能解决这些问题。B前句“由于量子霍尔效应的产生
需要非常强的磁场，所以……它并未获得实际应用”强加因果，也于文无
据；后句说，因为量子霍尔效应未能获得实际应用，所以有必要研究
量子反常霍尔效应，这也是强加因果，不合原文意思。从原文看，研
究量子反常霍尔效应之所以必要，是因为量子霍尔效应的应用存在着
器件体积过大、成本过高的问题。D“……断言薛其坤院士领衔的团队将
获得诺贝尔物理学奖”太唐突。“断言”意谓“十分肯定地说”，依原文，
薛其坤团队很有可能获得诺贝尔物理学奖，但并没有说十分肯定）