两端纳米器件系统中非平衡态电子的量子纠缠度量研究

With their size shrunk to nano scale, electronic devices have entered into the quantum regime. As an intrinsic characteristic of quantum systems, quantum entanglement is highly correlated with the behavior of quantum devices. Its quantification has been the main approach to predict critical behaviors such as quantum phase transition in materials and can be a key parameter for designing and understanding novel quantum devices. Recently, quantum entanglement of electrons in two-probe nano-devices has attracted much attention. Nevertheless, the complexity of the conventional method based on many-body density matrix increases exponentially with the system scale. It is then extremely difficult to handle the non-equilibrium many-body situation which is usually the case of devices in work. In this project, we will employ the non-equilibrium Green’s function method to transfer the many-body problem into a single-body one whose complexity is proportional to the system scale. In this way, we can extend the correlation matrix method for von Neumann entanglement entropy established in equilibrium states to non-equilibrium states. Currently, the method to evaluate entanglement entropy from the correlation matrix has been well established. The non-equilibrium Green’s function method has achieved great success on studying quantum transport in two-probe device systems by transferring many-body problems into single-body ones. Combining with the density functional theory, it has become the main candidate method of simulation and design for next-generation information quantum devices. Based on this, we will further study the quantum entanglement qualification of electrons, its correlation with the electron transport, and its measurement methods in nano devices of real materials.

电子器件已发展到纳米尺寸，进入量子区域。作为量子系统的本质特性，量子纠缠与量子器件的行为高度关联，其度量已经成为预测量子相变等临界行为的主要工具，对新型量子器件的研制和理解意义重大，已在两端纳米器件系统的研究中倍受关注。然而，传统研究纠缠的多体密度矩阵方法的复杂度随系统尺度指数增加，在面对器件中经常出现的非平衡状态和多电子特性时非常困难。本项目中，我们计划通过非平衡格林函数方法，将多体问题转化为复杂度与系统尺度成正比的单体问题；通过计算电子的关联函数矩阵，将在平衡态建立的纠缠熵度量方法推广到非平衡态两端纳米器件系统。当前，获取纠缠熵的关联函数矩阵方法已经成熟。将多体问题转化为单体问题的非平衡格林函数方法，在研究器件量子输运方面也已获得巨大成功，它与密度泛函理论的结合是下一代器件模拟与设计的主要候选方法。我们将以此为基础，进一步研究具体材料系统的量子纠缠度量及其与电子输运的关系和测量方法。

目前电子器件已发展到纳米甚至分子尺寸，进入量子区域。低维材料中电子的量子行为，包括电荷和自旋输运等已成为决定未来器件性能的重要因素。作为量子系统的本征特性，量子相干性与量子器件行为高度关联。它的合理描述可作为预测和调控量子行为的重要途径，对新型量子器件的研制和理解意义深远，并已在两端量子系统的研究中倍受关注。我们研究了一维系统，特别是两端电子器件系统中的量子关联和输运性质。首先，我们研究了部分一维系统中电子的量子相干性和纠缠度量。采用相对熵和Jensen-Shannon 熵量化XY模型的量子相干性，发现相对熵和Jensen-Shannon熵所表现的行为可以很好地表征该模型的量子相变。我们还发现采用非平衡态格林函数方法不仅能比较合理地模拟两端无相互作用系统中电子的输运现象，还能快速地获得近似的密度矩阵，并利用该密度矩阵研究中间器件区域与两电极区域之间的关联以及纠缠信息。这有可能有效地推进对低维电子器件中量子相干性的了解。其次，我们研究了铁磁等电极之间DNA分子中的电子行为，结果显示可自组装的DNA分子中存在着丰富的电荷与自旋输运特性。再次，我们研究了二硫化钼、硒化铟、黑鳞等二维材料纳米带中的电子结构和输运性质、以及边缘修饰的影响，探索了利用这些纳米带实现各种器件功能的可能途径。预测了其中丰富的电荷与自旋输运特性，包括强负微分电阻效应、单自旋半导体性质、电荷和自旋整流效应、自旋热电效应等等。这些特性可用于制作性能优异的新颖电子器件如实现纯自旋流等。最后，采用紧束缚模型我们研究了耦合双量子点以及锯齿型类石墨烯纳米带中的电子输运。预测了利用双量子点获得纯自旋流的条件，得到了在锯齿型类石墨烯纳米带中利用边缘修饰实现对磁阻和热电系数调控的普适规律，并总结了石墨烯纳米带几何对称性对输运性质的影响。这些研究成果丰富了对低维材料中电子行为的理解，并为应用这些材料实现新型功能器件提供了理论依据和指导。