納米結構輸運性質從經典到量子過渡的研究

《納米結構輸運性質從經典到量子過渡的研究》是依託南京大學，由熊詩傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米結構輸運性質從經典到量子過渡的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：熊詩傑
• 依託單位：南京大學

項目摘要

半導體結構在尺寸變小的過程中，其性質將從經典特性向量子特性過渡。這一方面使得利用其進行量子信息處理成為可能，另一方面使得其輸運性質偏離經典規律而表現出複雜的量子特徵。對實際納米結構（如量子點）而言，其經典和量子的特徵往往相互交織，且在一定的條件下互相轉化，這是其作為量子比特套用的最大瓶頸之一，也是輸運性質理論研究的難點所在。本課題擬從量子性質的基礎―波函式位相的相關性出發，研究納米結構中的量子態在與環境交換信息時，所經歷量子和經典相互轉化的演變過程。內容包括：（1）從Bell不等式出發研究量子和經典轉變的判據，對經典及量子規律的適用性給出定量的依據。（2）從系統和環境的相互作用出發，研究量子相干的時空延續性，探索量子－經典轉變的物理機制和條件。（3）探討延長或恢復系統量子相干性的可能途徑。這些工作對納米結構的套用研究可以提供進一步的理論支持，對促進半導體和量子信息學科的發展也有很大意義。

結題摘要

物質結構在尺寸變小的過程中，其輸運性質從經典特性向量子特性過渡。對實際的納米結構而言，其經典和量子的特性相互交織，且在一定條件下互相轉化，表現出複雜的現象，這是納米結構輸運性質理論研究的難點和熱點。本課題從波函式及其相位的相干性出發，研究納米結構中的量子態在與環境互作用時，所經歷的量子與經典性質的轉化和演變過程。所取得的主要成果有：（1）發展出基於全量子力學的Monte Carlo計算方案，研究納米結構與環境互作用時的隧穿電流以及量子相干和退相干效應。（2）作為前述方案的一個具體套用，研究了隧穿電流中的電子和量子點接觸中的局域電子態的糾纏過程，很好地解釋了有關的實驗結果，並對以往難以得到解釋的量子點接觸電導0.7反常現象給出了較好的微觀機制。（3）研究了準一維材料在無序存在時的量子相干性和輸運性質從量子到經典的轉變。（4）進一步研究了各種雜質對材料的量子態和性質的影響，其中，用第一性原理的密度泛函理論研究鈦酸鍶在各種摻雜條件下表面的原子微觀結構、電子能譜及波函式、電子空間分布等，探討獲得最佳的光催化性能的途徑。（5）結合實驗結果，用第一性原理研究各類納米型複合材料的表面態、電子能帶、聲子譜，以及對應的光電性質，較好地解釋了實驗現象。（6） 建立和發展出一種源-網路-漏模型，用全量子力學的方法計算了在光合作用過程中的能量輸運過程和相關的量子效應。（7）用變程跳躍模型研究一維系統的熱激發輸運過程及量子效應出現的條件。（8）對石墨烯等材料在各種形貌下的特殊性質和可能的套用進行了較深入的理論研究，提出一些可能的材料和器件結構，從理論上研究了沿著zigzag方向的石墨烯納米條帶的電子導電性質，提出了採用這種條帶的Datta-Das效應來構造納米電晶體和電導開關的可能性。（9）我們研究了石墨烯在具有電子間庫倫互作用、錯列勢能以及內稟的自旋-軌道互作用的情況下的電子性質，研究了各種條件下系統的拓撲對稱性和拓撲相變，並得到了拓撲相變的相圖。（10）配合實驗工作，對In2O3的截角八面體的電子性質進行理論研究，通過第一性原理的計算，表明在截角面上確實存在能夠加速光催化作用的電子態，較好地解釋了實驗中所發現的新效應。