量子输运最新研究和论文

分形是复杂的结构，通常表现出自相似性并具有非整数维数。术语“分形”是由著名数学家 Benoit B. Mandelbrot 首次引入的。他注意到，到处都有许多自然物体是分形的，如雪花、树枝、海岸线等。在自然之外，分形图案或结构也是人为创造的。一种著名的分形类型，谢尔宾斯基垫片，不仅在古代被广泛用于教堂的装饰，而且在现代人工装置工程中也被广泛使用。迄今为止，分形特征已经在包括量子力学、光学、金融、生理学等广泛领域中得到了报道。

分形外观的美感源于自相似性。物理学家也对嵌入在这些非整数维度的非常规系统中的微妙物理定律感兴趣。欧几里得几何是整数维的，物理定律多是在整数维空间的情况下引入的。然而，异常现象可能会在不同的情况下发生。尽管近几十年来有大量的理论和数值研究，但对分形空间中量子输运的实验研究仍然难以捉摸。

近日，上海交通大学金贤敏教授课题组与乌得勒支大学C. Morais Smith教授合作，对分形空间中的量子输运动力学进行了实验研究，并观察到了异常现象。通过使用飞秒激光通过直接书写技术，研究人员能够制造出轮廓为分形的光子晶格。三种典型的分形，谢尔宾斯基垫片、谢尔宾斯基地毯和双谢尔宾斯基地毯，被精确地映射到光子晶格。它们在豪斯多夫维数（即分形维数）或几何学上是不同的。双谢尔宾斯基地毯虽然继承了谢尔宾斯基地毯的豪斯多夫尺寸，但它们的几何形状完全不同。三个分形之间的差异使研究人员能够研究量子传输和分形之间的相互作用。

在研究中，量子游走是经典随机游走的量子模拟，被用作研究量子传输的模型。光子被发射到光子晶格中以执行连续时间量子行走。晶格的长度决定了光子的演化时间。通过编写具有增量长度的光子晶格，研究人员设法捕捉到光子在不同时刻的演化结果，从而揭示了量子传输动力学。均方位移 (MSD) 用于表征量子传输动力学。

结果表明，运输动力学很难用单一的制度来描述。它通常经历几个阶段，如正常状态、分形状态和最终饱和，这与常规情况不同。值得强调的是，与 MSD 以二次方缩放的平移不变格子相比，MSD（在分形区域中）仅由 Hausdorff 维数决定。这种异常现象与 Fleischmann 等人的理论建议非常吻合。研究人员还通过在相当大的分数空间中进行模拟，并通过研究输入位置（即光子发射到晶格的位置）上关系的独立性，进一步证实了所提出的关系的稳 健性。

该研究为更深入地理解分数空间中的物理定律铺平了道路。除了对物理学的基本兴趣之外，它还可能阐明量子力学是否在生物系统中的传输中发挥任何作用，例如分形状的大脑层次结构和一直发生能量传输或信息传输的分支树。从量子算法方面，分形光子晶格的实现为基于连续时间量子游走的量子空间搜索的实验 探索 奠定了基础。

更多信息: Mandelbrot, B. B. Fractals: Form, Chance and Dimension (W. H. Freeman, 1977)

Mandelbrot, B. B. The Fractal Geometry of Nature (W. H. Freeman, 1983)

Xu, X.-Y. et. al. Quantum transport in fractal network. Nat. Photon. (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00845-4

Fleischmann, R., Geisel, T., Ketzmerick, R. & Petschel, G. Quantum diffusion, fractal spectra, and chaos in semiconductor microstructures. Physica D 86, 171–181 (1995)

来自曼彻斯特大学、诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家发现了一种量子现象，有助于理解石墨烯电子的基本极限。该研究发表在《自然通讯》上，描述了单原子薄片石墨烯中的电子是如何驱散构成六角形晶格的振动碳原子。通过施加垂直于石墨烯平面的磁场，载流电子被迫进入封闭的圆形“回旋”轨道。在纯石墨烯中，电子脱离轨道的唯一途径是在散射事件中通过“声子”反弹。这些声子是粒子状的能量和动量束，是与振动碳原子相关的声波“量子”。当石墨烯晶体在非常低的温度下升温时，声子的数量会越来越多。通过在石墨烯片上传递小电流，研究小组能够精确测量散射事件中电子和声子之间传递的能量和动量。实验揭示了两种类型的声子散射电子：横向声子(TA)，其中碳原子垂直于声子的传播和波动方向振动(有点类似于水面上的表面波)；纵向声子(LA)，其中碳原子沿声子和波动方向来回振动(这种运动在某种程度上类似于声波在空气中的运动)。这些测量提供了对这两种声子速度非常精确的测量，否则很难对单个原子层进行测量。实验的一个重要结果是发现横向声子声子散射优于纵向声声子散射。这种被观察到的现象，通常被称为磁振子振荡，在石墨烯发现之前的许多年就已经在半导体中测量过了。是最古老的量子输运现象之一，早于量子霍尔效应，50多年前就为人所知。尽管石墨烯具有许多新颖奇特的电子特性，但这一相当基本的现象仍未被发现。该研究的合著者劳伦斯•埃夫斯和罗山•克里希纳•库马尔表示：我们惊喜地发现石墨烯中出现了如此显著的磁振子振荡，考虑到石墨烯中量子输运的大量文献，我们也很困惑为什么人们以前没有见过它们。需要两个关键因素，首先该团队必须在国家石墨烯研究所(National graphene Institute)制造大面积的高质量石墨烯晶体管，如果设备的尺寸小于几微米，就无法观察到这种现象。第一作者，曼彻斯特大学的Piranavan Kumaravapel说：在量子输运实验的初期，人们习惯于研究宏观、毫米大小的晶体。在石墨烯量子传输的大部分研究中，所研究的器件通常只有几微米大小。看来，制造更大的石墨烯器件不仅对应用很重要，对基础研究也很重要。第二个因素是温度。大多数石墨烯量子输运实验都是在超冷温度下进行，目的是为了减缓振动的碳原子和“冻结”通常会破坏量子相干性的声子。因此，石墨烯被加热，因为声子需要激活才能产生这种效果。这个结果非常令人兴奋，为 探索 二维晶体中声子的性质及其异质结构开辟了一条新途径。

1979年，李树深进入河北师范大学物理系学习 。

1983年，本科毕业后留校工作，在河北师范大学物理系任教，先后担任助教(1983年7月-1986年8月)、讲师(1989年5月-1993年8月) 。

1986年，考取西南交通大学固体物理专业硕士研究生。1989年，获得硕士学位。

1994年，考取中国科学院半导体研究所博士研究生。1996年，获得博士学位。曾先后在日本NEC电器株式会社筑波研究所、义大利国际理论物理中心和香港科技大学物理系进行光电子器件相关性能预测研究。

2003年，获得国家杰出青年科学基金资助 。

2006年，担任中国科学院半导体研究所副所长、党委副书记(至2011年) 。同年担任国家创新研究群体"半导体低维结构中的量子调控"学术带头人。

2009年，担任国家重大科学研究计画项目(973项目)首席科学家。入选国家级"新世纪百千万人才工程"。

2011年，当选为中国科学院院士(科学院信息技术科学部) ，11月获得何梁何利基金科学与技术进步奖 ，12月出任中国科学院半导体研究所所长(至2018年4月)、党委书记(2014年6月) 。

2015年11月21日，开发中国家科学院第26届院士大会上，李树深正式成为开发中国家科学院士，任期为2016至2018年 。

2017年12月，中国科学院官网"院领导集体"页面更新显示，中国科学院党组成员李树深同时担任副院长一职 。

2018年5月7日，中国科学院大学领导班子个别调整宣布会议在玉泉路校区礼堂报告厅召开，会议由中科院人事局局长孙晓明主持，会上孙晓明宣读了院党组的决定:李树深同志任中国科学院大学校长(兼，法定代表人)。

李树深主要从事半导体低维量子结构中的器件物理基础研究。提出了研究半导体耦合量子点(环)电子态结构的一种物理模型，理论上确定了半导体量子点可以吸收垂直入射光，发现了半导体量子点电荷量子比特真空消相干机制，发展了电子通过半导体量子点的量子输运数值计算方法 。

李树深先后参加和主持国家八五、九五攀登计画、国家重大基础研究计画项目(973项目)及国家自然科学基金委和中国科学院重大、重点项目多项 ，2004年、2009年和2017年三次获国家自然科学二等奖 。

承担项目

成果奖励

截至2017年，李树深在包括《美国科学院院刊》、《美国物理评论快报》在内的中国国内外重要学术期刊发表论文200余篇 。

代表性论著(10篇)

[1]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Effective-mass theory for GaAs/GaAlAs quantum wires and corrugated superlattices grown on (311) oriented substrates. Phys. Rev. B50, 8602 (1994).

[2]. Shu-Shen Li , Jian-Bai Xia, Z. L. Yuan, Z. Y. Xu, Weikun Ge, Y. Wang, J. Wang, and L. L. Chang, Effective-mass theory for InAs/GaAs strained coupled quantum dots. Phys. Rev. B54, 11575 (1996).

[3]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Intraband optical absorption in semiconductor coupled quantum dots. Phys. Rev. B55, 15 434 (1997).

[4]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic structures of InAs self-assembled quantum dot in an axial magic field. Phys. Rev. B58, 3561 (1998).

[5]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic states of InAs/GaAs quantum ring. J. Appl. Phys. 89, 3434 (2001).

[6]. Shu-Shen Li , Gui-Lu Long, Feng-Shan Bai, Song-Lin Feng, and Hou-Zhi Zheng, Quantum puting. Pro. Natl. Acad. Sci. USA, 98(21), 11847 (2001).

[7]. Shu-Shen Li , Kai Chang, Jian-Bai Xia, and Kenji Hirose, Spin-dependent transport through Cd1-xMnxTe diluted magic semiconductor quantum dots, Phys. Rev. B68, 245 306 (2003).

[8]. Shu-Shen Li , Kai Chang, and Jian-Bai Xia, Effective-mass theory for hierarchical self-assembly of GaAs/AlxGa1-xAs quantum dots, Phys. Rev. B71, 155 301 (2005).

[9]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Asymmetric quantum-confined Stark effects of hierarchical self-assembly of GaAs / AlxGa1-xAs quantum dots, Appl. Phys. Lett. 87, 043 102 (2005).

[10]. Shu-Shen Li and Jian-Bai Xia, Electronic structures of N quantum dot molecule, Appl. Phys. Lett. 91, 092119 (2007).

2012年12月22日，中国科学院大学材料科学与光电技术学院第一次院务会上，作为学术委员会主任的李树深针对博士资格考试的议题谈到，国科大的博士生培养应该是精英教育，博士生的质量体现了国科大和中科院的教育水平，应当推行博士生资格考试，这对于树立学校的教育品牌非常重要 。

李树深长期担任中国科学院大学材料科学与光电技术学院院长和首届本科生1412班班主任，在他的带领下，中国科学院大学的材料学科进入ESI排名前万分之一，并入选首批国家一流学科建设名单。他丰富的科教融合工作阅历和经验，对国科大深入推进以人才队伍为核心的"科教融合3.0"、推动学校综合改革，整体提升创新能力起到重要作用 。

截至2016年，李树深一共培养了50多名博士和多名硕士，6名博士后出站。2009年指导的博士生李彦超获得朱李月华优秀博士生奖 。根据中国科学技术信息研究所、国家工程技术数字研究馆信息、全国图书馆参考咨询联盟，李树深培养学生情况如下 :

艾合买提

.阿不力孜

李树深从事低维半导体物理及器件、光电子器件性能预测、固态量子信息等物理基础研究，他的研究工作被国际同行广泛引用，其中包括国际著名半导体物理专家的综述性论文，并被写入专著 。(兰州大学评)