纳米结构输运性质从经典到量子过渡的研究

半导体结构在尺寸变小的过程中，其性质将从经典特性向量子特性过渡。这一方面使得利用其进行量子信息处理成为可能，另一方面使得其输运性质偏离经典规律而表现出复杂的量子特征。对实际纳米结构（如量子点）而言，其经典和量子的特征往往相互交织，且在一定的条件下互相转化，这是其作为量子比特应用的最大瓶颈之一，也是输运性质理论研究的难点所在。本课题拟从量子性质的基础―波函数位相的相关性出发，研究纳米结构中的量子态在与环境交换信息时，所经历量子和经典相互转化的演变过程。内容包括：（1）从Bell不等式出发研究量子和经典转变的判据，对经典及量子规律的适用性给出定量的依据。（2）从系统和环境的相互作用出发，研究量子相干的时空延续性，探索量子－经典转变的物理机制和条件。（3）探讨延长或恢复系统量子相干性的可能途径。这些工作对纳米结构的应用研究可以提供进一步的理论支持，对促进半导体和量子信息学科的发展也有很大意义。

物质结构在尺寸变小的过程中，其输运性质从经典特性向量子特性过渡。对实际的纳米结构而言，其经典和量子的特性相互交织，且在一定条件下互相转化，表现出复杂的现象，这是纳米结构输运性质理论研究的难点和热点。本课题从波函数及其相位的相干性出发，研究纳米结构中的量子态在与环境互作用时，所经历的量子与经典性质的转化和演变过程。所取得的主要成果有：（1）发展出基于全量子力学的Monte Carlo计算方案，研究纳米结构与环境互作用时的隧穿电流以及量子相干和退相干效应。（2）作为前述方案的一个具体应用，研究了隧穿电流中的电子和量子点接触中的局域电子态的纠缠过程，很好地解释了有关的实验结果，并对以往难以得到解释的量子点接触电导0.7反常现象给出了较好的微观机制。（3）研究了准一维材料在无序存在时的量子相干性和输运性质从量子到经典的转变。（4）进一步研究了各种杂质对材料的量子态和性质的影响，其中，用第一性原理的密度泛函理论研究钛酸鍶在各种掺杂条件下表面的原子微观结构、电子能谱及波函数、电子空间分布等，探讨获得最佳的光催化性能的途径。（5）结合实验结果，用第一性原理研究各类纳米型复合材料的表面态、电子能带、声子谱，以及对应的光电性质，较好地解释了实验现象。（6） 建立和发展出一种源-网络-漏模型，用全量子力学的方法计算了在光合作用过程中的能量输运过程和相关的量子效应。（7）用变程跳跃模型研究一维系统的热激发输运过程及量子效应出现的条件。（8）对石墨烯等材料在各种形貌下的特殊性质和可能的应用进行了较深入的理论研究，提出一些可能的材料和器件结构，从理论上研究了沿着zigzag方向的石墨烯纳米条带的电子导电性质，提出了采用这种条带的Datta-Das效应来构造纳米晶体管和电导开关的可能性。（9）我们研究了石墨烯在具有电子间库伦互作用、错列势能以及内禀的自旋-轨道互作用的情况下的电子性质，研究了各种条件下系统的拓扑对称性和拓扑相变，并得到了拓扑相变的相图。（10）配合实验工作，对In2O3的截角八面体的电子性质进行理论研究，通过第一性原理的计算，表明在截角面上确实存在能够加速光催化作用的电子态，较好地解释了实验中所发现的新效应。