介观物理基础和近期发展几个方面的简单介绍

低维和介观物理系统的研究是当前凝聚态理论的一个重要方向.文章将从回顾介观物理中的几个基本概念开始,就近年来在量子点、二维电子气和介观物理系统中的电子关联效应等几个方面的研究,简略地介绍介观物理的新发展和机遇.     

介观体系和介场物理

20世纪 80年代初中期开始兴起的介观物理是凝聚态物理中人们十分关注的研究领域 ,“介观”一词大家已听得很多了 .一段时间以来 ,常读到介观尺度是由电子非弹性散射平均自由程决定的说法 ,觉得不太确切 .想到这一说法可能和我早先发表在《物理》杂志的文章[1] ,以及我们主编的《介观物理》一书第一版的前言[2 ] 有关 ,特写此短文说明 .这里的说明也许仍有不妥之处 ,请读者指正 .1　介观尺度介观体系的大小是由介观尺度来刻划的 .介观尺度是载流子保持相位记忆的长度 ,一般记为Ｌφ,称为退相位长度 .相位记忆的丢失源于载流子的非弹性散射 ,…     

介观和低维体系中值得关注的一些物理问题

本文简单叙述了决定介观体系尺寸的退相位长度的物理含义,以及目前在介观和低维体系中值得关注的几个物理问题。从近期的发展看,退相位时间的低温饱和,二信电子系统的金属－绝缘体相变,正常金属／超导介观体系,准一维体系和分数量子化霍尔效应体系,以及单电子器件及其相关物理问题的研究是应该注意的重要方面。     

介观体系的物理

从对无序电子系统低温输运性质－弱局域电性的讨论出发，介绍了弹性散射和非弹发型用射的基本区别，引进了介观体系的概念，特别强调了与宏观体系不同之处，简单讲述了主要的物理发现，最后对本领域的现状做了简短的评述。     

低维介观系统中磁边缘态输运特性

低维介观系统中，当存在垂直方向磁场时，磁边缘态的形成、存在和其固有的特性对系统的量子相干输运过程起着至关重要的作用。本文通过求解相关的单电子的薛定谔方程，来演示准一维量子线中磁边缘态的形成，讨论磁边缘态波函数的一般性质和规范变换及坐标旋转变换下边缘态的变换形式。简单介绍耦合平行双量子线的磁致输运特性，此时色散关系中出现能级交叉、劈裂、和振荡结构，并导致方波型振荡的磁电导谱。最后，简单介绍一维和有限宽度的介观环中持续电流和色散关系。     

“介观”系统中的量子相干性和输运

本文综合介绍近几年来，在研究“介观”系统（ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ）中电子的输运现象时所观察到的量子干涉效应．含有无序的散射中心的金属细线或小环，半导体二维电子气中量子点接触结构，一维量子线，以及双联通的微结构等，都属于“介观”系统，其电子的相泣相干长度Ｌφ可以与系统的结构尺度相比较，电子波的量子干涉现象变得十分显著和重要。本文着重介绍金属和半导体异质结中Ａｂａｒｏｎ－ｏｖ－Ｂｏｈｍ效应、金属细线中电导的量子相干涨落现象和电导的非定域性．     

双stub介观环结构中的电子输运特征

采用量子波导理论研究了双stub介观环结构中电子输运特性。结果表明电子透射系数随stub的长度和环的大小而周期地振动,对环的周长和stub的长度做适当的调整,能使电子输运达到100%。并且比较了单stub介观环结构和双stub介观环结构对电子输运的影响,发现双stub的介观环结构对电子输运调制要比单stub介观环结构好。理论研究不仅对基础物理而且对量子器件研究均有重要意义。     

介观物理的粒子自旋轨道耦合和量子几何相位

本文较系统地但并非全面地讨论粒子的自旋轨道耦合。从基本概念到在介观物理的一些应用,特别着重讨论了自旋轨道耦合和量子几何相位的关系,也从作者的观点评论现代文献的一些有关问题和概述作者及其研究合作者的一些工作。本文讨论很大部分内容并不局限在介观尺度,而是相当普通的,可供物理各个领域研究参考。     

介观物理的粒子自旋轨道耦合和量子几何相位

本文较系统地但并非全面地讨论粒子的自旋轨道耦合。从基本概念到在介观物理的一些应用,特别着重讨论了自旋轨道耦合和量子几何相位的关系,也从作者的观点评论现代文献的一些有关问题和概述作者及其研究合作者的一些工作。本文讨论很大部分内容并不局限在介观尺度,而是相当普通的,可供物理各个领域研究参考。     

环形碳纳米管-量子点耦合系统的介观输运

应用非平衡格林函数方法研究通过环形碳纳米管-量子点耦合系统的介观输运.相干隧穿与环形碳纳米管和量子点各自的能级结构有强烈的依赖关系,阿哈郎诺夫-玻姆效应使能级周期性变化,隧穿电流则随磁通量作周期性振荡.环形碳纳米管的具体纳米结构显示出金属-半导体相变特性,这种行为也在输出电流中体现出来.子系统量子能级的匹配与失配关系在介观输运过程中起重要作用.     

Dynamic electron transport theory for multiprobe mesoscopic structures

Using the linear response theory and random phase approximation,we develop a general dynamic electron transport theory for multiprobe mesoscopic structures in an arbitrarily time-dependent external field.In this case,the responses of the dynamic current,charge and internal potential to the external fields can be determined self-consistently.Without loss of generality,charge (current) conservation and gauge invariance under a potential shift are satisfied.As an example,we employ a quantum wire with a single barrier to discuss the response of the internal potential.     

Contact effect in the dynamic electron transport of a two-probe mesoscopic conductor

Based on the self-consistent electron dynamic transport theory for multi-probe mesoscopic systems, we calculate the distribution of internal potential, charge density, and ac conductance of a two-probe mesoscopic conductor with wide trapezoid reservoirs, and study the contact effect. The results show that including the contact effect can make a significant difference to the frequency-dependent electron transport properties. In the nonzero frequency case, the internal potential and the charge density are complex with extremely small imaginary parts. Importantly, the imaginary part of the charge density gives rise to a real ac conductance (admittance), which corresponds to the charge-relaxation resistance.     

介观多环耦合系统中的量子电流增强效应

基于电荷具有离散性的事实对介观电路进行量子化，以介观三环为例研究多环耦合系统中的量子电流增强效应.结果表明，量子电流增强效应不仅存在于耦合双环系统中，而且在金属多环系统中也存在. 关键词： 介观电路 耦合系统 量子电流 增强效应     

Quantum fluctuation of mesoscopic distributed parameter circuits

Under the Born－von-Karmann periodic boundary condition, we propose a quantization scheme for a non-dissipative distributed parameter circuit (a uniform transmission line). Quantum fluctuations of charge and current in the vacuum state are investigated by adopting the canonical transformation and unitary transformation method. Our results indicate that in distributed parameter circuits, quantum fluctuations, which also have distributed properties, are related to both the circuit parameters and the positions and the mode of signals.     

耗散介观电容耦合电路的量子效应

对介观耗散电容耦合电路作阻尼谐振子处理,将其量子化,在此基础上研究电荷和电流在能量本征态下的量子涨落,并对其进行讨论.结果表明,每个回路的电荷、电流都存在量子涨落,且两回路的量子噪声是相互关联的. 关键词： 介观耗散电路 电容耦合 量子涨落     

介观二阶电路量子涨落的对偶性

讨论了阻尼对介观耗散电路中电荷和电流量子涨落的影响，在能量本征态下比较了介观RLC串、并联电路中电荷和电流的量子涨落，发现它们之间具有对偶性。     

On the interaction of mesoscopic quantum systems with gravity

We review the different aspects of the interaction of mesoscopic quantum systems with gravitational fields. We first discuss briefly the foundations of general relativity and quantum mechanics. Then, we consider the non‐relativistic expansions of the Klein‐Gordon and Dirac equations in the post‐Newtonian approximation. After a short overview of classical gravitational waves, we discuss two proposed interaction mechanisms: (i) the use of quantum fluids as generator and/or detector of gravitational waves in the laboratory, and (ii) the inclusion of gravitomagnetic fields in the study of the properties of rotating superconductors. The foundations of the proposed experiments are explained and evaluated.     

基于自洽输运理论的介观体系动态电导的研究

基于介观体系电子动态输运的自洽理论,讨论了介观结构的动态电导.作为该理论的应用,采用一介观相干平行板电容器模型来进行研究. 结果表明:体系的动态电导与外场频率和体系费米能有关,为一复数且有有限虚部. 当外场频率较小时,动态电导随费米能的变化所呈现的特性和直流情形非常相似,但是随着外场频率的增加,两者差异就变得非常明显,体系动态电导随外场频率的变化呈现一些峰值结构. 在给定体系费米能时,动态电导随着外场频率的变化而产生振荡,并且出现了负的电导虚部,电导虚部的正负表明了体系的电容特性和电感特性. 关键词： 自洽输运理论 相干平行板电容器 电导 介观体系