Thermodynamic uncertainty relation in atomic-scale quantum conductors

纳米金属颗粒与原子导体的连接

Nanometer-Scale Metallic Grains Connected with Atomic-Scale Conductors

我们描述了一种技术，用于连接纳米级的金颗粒的原子级的黄金点接触的铅。这些器件与以前的金属量子点的不同之处在于导电通道相对良好地传输。我们研究了接触电阻对库仑阻塞的影响。高电阻器件显示库仑阻塞，低电阻器件显示零偏压电导下降，两者都与理论定量一致。我们发现，在中间制度，样品电阻接近$h/e^2$，I-V曲线显示库仑阶梯与对称的接触电容。

Beating Carnot efficiency with periodically driven chiral conductors

Classically, the power generated by an ideal thermal machine cannot be larger than the Carnot limit. This profound result is rooted in the second law of thermodynamics. A hot question is whether this bound is still valid for microengines operating far from equilibrium. Here, we demonstrate that a quantum chiral conductor driven by AC voltage can indeed work with efficiencies much larger than the Carnot bound. The system also extracts work from common temperature baths, violating Kelvin-Planck statement. Nonetheless, with the proper definition, entropy production is always positive and the seco…

纳米导体中的电流感生效应

Current-Induced Effects in Nanoscale Conductors

我们提出了一个概述的电流感应效应在纳米导体，重点是在原子水平上的描述。特别是，我们讨论了稳态电流波动，电流感应力，非弹性散射和局部加热。所有这些性质都是用多电子系统的静态密度泛函理论中的散射方法计算的单粒子波函数来计算的。原子和分子导线中的电流诱导效应的例子将被给出，并与实验结果进行比较。

Quantum flicker noise in atomic and molecular junctions

We report on a quantum form of electronic flicker noise in nanoscale conductors that contains valuable information on quantum transport. This noise is experimentally identified in atomic and molecular junctions, and theoretically analyzed by considering quantum interference due to fluctuating scatterers. Using conductance, shot noise, and flicker noise measurements, we show that the revealed quantum flicker noise uniquely depends on the distribution of transmission channels, a key characteristic of quantum conductors. This dependence opens the door for the application of flicker noise as a dia…

用奇异值分解法计算介观导体电导的数值公式

A Numerical Formulation to Calculate the Conductance of Mesoscopic Conductors Using Singular Value Decomposition

利用奇异值分解这一处理矩阵的数学方法，提出了一种计算介观导体电导的新方法。我们的公式是有用的，在处理导体与相当复杂的原子结构，天真的递归公式是繁琐的。它还具有通过使用并行计算来放大计算的优势，这可能使我们能够在原子水平上进行真实规模的计算。另一方面，电子-电子相互作用的影响很难在这个框架内处理，因为它取决于系统的线性度。在本文中，我们研究了一个简单的例子与外部引线的石墨烯纳米带。

单连接无序导体中的Aharonov-Bohm振荡

Aharonov-Bohm Oscillations in Singly-Connected Disordered Conductors

我们发现\emph{singly-connected}无序导体的输运和热力学性质随通过系统的总磁通量呈现量子Aharonov-Bohm振荡。的振荡与干扰的贡献，从一个特殊的类的电子轨迹局限于样品的表面。

退相干电子与无序导体

Of Decoherent Electrons and Disordered Conductors

本课堂讲稿回顾了低温下低维导体中电子退相干时间的各种输运和热力学测量。由任意少量的磁性杂质介导的电子相互作用的失相机制既不适用于我们的线性响应测量弱本地化，也不是在最近的高场测量的退相干时间在名义上纯准一维金丝观察。经过大量的实验，退相干的来源似乎仍然是内在的。

纳米导体中散粒噪声的第一性原理研究

Shot Noise in Nanoscale Conductors From First Principles

我们描述了一个场论方法来计算量子散粒噪声在纳米导体的第一性原理。我们的出发点是二次量子化场算子计算散粒噪声的单准粒子波函数内自洽获得密度泛函理论。该方法对线性和非线性响应都有效，特别适用于研究原子尺度导体中的散粒噪声。作为一个例子，我们研究了金属电极之间的硅原子线中的散粒噪声。我们发现，散粒噪声是强烈的非线性作为偏置的函数，它是增强的一个和两个硅线由于金属电极的大贡献。对于较长的导线，它显示了一个振荡的行为，偶数和奇数的原子与相反的趋势，相对于电导，表明电流波动持续增加导线长度。

从随机单原子开关到纳米电阻存储器件

From stochastic single atomic switch to nanoscale resistive memory device

固态离子导体是下一代非易失性计算机存储器元件的良好候选者。这样的器件必须在合理的电压和电流值下显示出可再现的电阻切换，即使按比例缩小到纳米尺寸。在这里，我们研究的开关特性之间创建的钨尖和银膜覆盖的薄离子导体层的纳米结。原子大小的结显示出壮观的电流感应开关特性，但开关电压的大小和开关的方向对于不同的结随机变化。相比之下，对于直径为几纳米的稍大的结，观察到明确定义的、可再现的切换行为，这与离子导体表面层中纳米级通道的形成和破坏相关。我们的研究结果定义了一个可靠的离子纳米开关，这是远低于最近的光刻技术的分辨率低尺寸限制为3 nm。

电子-声子相互作用对分子纳米导体热、电输运的影响

Effects of electron-phonon interaction on thermal and electrical transport through molecular nano-conductors

本文综述了电子-声子相互作用（EPI）对分子纳米导体输运性质的影响。纳米导体连接到两个电子引线和两个声子引线，可能在不同的温度或化学势下。EPI仅出现在纳米导体中。我们专注于它对电荷和能量传输的影响。我们介绍三种方法。对于弱EPI，我们用非平衡格林函数方法进行微扰处理。我们推导出电荷流和热流的表达式。对于弱的系统-引线耦合，我们使用量子主方程方法。在这两种情况下，我们使用一个简单的单能级模型来研究EPI对系统的热电输运性质的影响。研究电流对声子系统动力学的影响也很有趣。为此，我们推导出一个半经典的广义朗之万方程来描述纳米导体的原子动力学，以非平衡电子系统，以及其余的原子自由度作为有效浴。我们显示简单的应用程序，这种方法的电子和声子之间的能量转移的问题。

一维导体中的短程关联和自旋模速度

Short-range correlations and spin-mode velocities in ultrathin one-dimensional conductors

在位于高k电介质衬底或金属栅极附近的MEMS导线中，电子可以在相当高的电子密度下形成强相关的一维流体。密度-密度关联函数，电荷可压缩性，自旋磁化率，和电子比热的这种流体的解析计算。研究结果对新型碳纳米管场效应晶体管和半导体量子线的输运和热力学研究具有重要意义。

原子尺度导体的量子特性

Quantum properties of atomic-sized conductors

使用非常简单的实验技术，可以轻轻地断开金属接触，从而形成导电纳米线。在拉伸的最后阶段，一根颈状导线连接两个电极，其直径在进一步拉伸时减小到单个原子。对于某些金属，甚至可以以这种方式形成单个原子的链。尽管接触的原子结构可能相当复杂，但只要最薄弱的点被简化为仅单个原子，复杂性就被消除。接触的性质主要由该原子的性质决定。这使得许多性质的理论和实验可以进行定量比较，原子接触已被证明是介观物理学概念的丰富测试平台。研究的性质包括多重Andreev反射，散粒噪声，电导量子化，电导波动，和动态库仑阻塞。此外，显著的量子效应表现在接触的机械性能中，如纳米线的力和内聚能中所见。我们回顾这项研究，这主要是在过去的十年中进行的，我们讨论的相关发展的背景下的结果。

纳米接触和纳米线中的自旋输运

Spin transport in nanocontacts and nanowires

在本论文中，我们利用量子输运理论研究了磁性纳米接触和纳米线中的电子输运。其目的是获得一个透彻的理解之间的相互作用的导电性和磁性在原子大小的导体和它是如何受到不同方面的影响，例如，原子结构和化学成分的导体。为此，我们的从头算量子输运程序ALACANT，结合非平衡格林函数形式主义（NEGF）与密度泛函理论（DFT）计算已被扩展到描述自旋极化系统。我们目前的计算镍作为一个原型的磁性材料的纳米接触。我们发现，在接触区域中的原子无序强烈地降低了先验的高自旋极化的电导导致相当温和的所谓的弹道磁阻（BMR）的值。另一方面，我们表明，在接触区中的氧的吸附可以强烈增强自旋极化的传导电子，从而BMR通过消除自旋非极化的s-通道。最后，我们表明，短的原子Pt链之间的纳米接触的尖端悬浮磁性体Pt。然而，这种新兴的纳米磁性几乎不影响纳米接触的整体电导，因此难以通过简单的电导测量来证明。总之，我们发现自旋输运通过原子尺度的导体是相当敏感的实际原子结构以及导体的化学成分。这为实现未来的纳米级自旋电子器件提供了机遇和挑战。

具有动态粗糙表面的纳米线和纳米带的约化热导率和“一维热导体问题”

Reduced Thermal Conductivity of Nanowires and Nanoribbons with Dynamically Rough Surfaces and the "Problem of One-Dimensional Heat Conductors"

我们提出了非谐晶格和动态粗糙表面和边缘的纳米线和纳米带中声子热输运的解析模型和分子动力学模拟。与最近的实验在单晶硅纳米线与粗糙表面的热传输，我们的模型和模拟预测有限的和长度无关的声子热导率在这样的准一维系统，在相反的异常声子热导率相应的动量守恒系统与原子光滑的表面，发散与系统长度。在我们的模型中，热导率降低的主要原因是在具有动态粗糙表面或边缘层的准一维声子波导中由非谐侧声子导致的纵向声学声子的动量非守恒散射。

无序导体的几个性质

A Few Properties of Disordered Conductors

在这个简短的教程回顾，我展示了如何相位相干无序导体的属性可以在一个简单和统一的方式来描述。这些性质包括输运性质，如弱局域化校正和普适电导涨落，以及热力学性质，如轨道磁性和持续电流。它们可以与扩散粒子的经典返回概率有关。对于具有$N$节点的网络，返回概率可以与$N \times N$“连通性”矩阵$M$的行列式相关，使得磁化和输运量可以{ \it直接}根据$\det M$来写。

热力学平衡中的自旋流？

Spin currents in thermodynamic equilibrium?

自旋电流的标准定义，适用于缺乏反转对称性的导体，导致非零自旋电流。我证明了自旋电流不消失，即使在热力学平衡，在没有外部领域。这些电流是无耗散的，与真实的自旋输运无关。这一结果应被视为一个警告，表明由外场驱动的自旋流输运理论中固有的问题。

弹道导体中的量子输运：从电导量子化到共振隧穿的演化

Quantum transport in ballistic conductors: evolution from conductance quantization to resonant tunneling

研究了三维原子尺度接触在弹道机制下的输运性质。电导和相关传输特征值的结果显示了理想半无限导线（即测量设备）的特性以及导线和导体之间的耦合如何影响双探针几何形状中的传输。我们观察到从电导量子化的共振隧穿电导峰的演变时，改变跳跃参数的无序的紧束缚哈密顿描述的铅和耦合到样品。

Periodic energy transport and entropy production in quantum electronics

The problem of time-dependent particle transport in quantum conductors is nowadays a well established topic. In contrast, the way in which energy and heat flow in mesoscopic systems subjected to dynamical drivings is a relatively new subject that cross-fertilize both fundamental developments of quantum thermodynamics and practical applications in nanoelectronics and quantum information. In this short review, we discuss from a thermodynamical perspective recent investigations on nonstationary heat and work generated in quantum systems, emphasizing open questions and unsolved issues.

相干输运的热力学不确定关系

Thermodynamic Uncertainty Relations for Coherent Transport

本文推导费米子相干输运的普适热力学不确定关系，并将其用于揭示相干热电器件效率、功率与涨落之间的权衡。

An optimal superconducting hybrid machine

Optimal engine performances are accomplished by quantum effects. Here we explore two routes towards ideal engines, namely (1) quantum systems that operate as hybrid machines being able to perform more than one useful task and (2) the suppression of fluctuations in doing such tasks. For classical devices, the absence of fluctuations is conditioned by a high entropy production as dictate the thermodynamic uncertainty relations. Here we generalize such relations for multiterminal conductors that operate as hybrid thermal machines. These relations are overcome in quantum conductors as we demonstra…

热力学与粒子的量子输运和熵

Thermodynamics and the Quantum Transport of Particles and Entropy

提出了宏观热力学和量子输运的统一观点。在两个系统之间进行能量交换的热力学过程必然涉及其他可平衡量的流动。这些流量首先使用一个简单的漂移扩散模型，其中包括热电效应，并连接到某些热力学可渗透性和扩散系数的各种传输系数进行分析。本文第二部分讨论了宏观热力学与量子统计之间的联系。有人建议不使用粒子，而是使用“基本费米或玻色系统”作为理想量子气体的基本组成部分。通过这种方式，不仅可以导出粒子的输运，而且还可以导出熵的输运，并对弹道量子线和扩散导体进行了说明。特别地，熵流的量子干涉与电流的量子干涉密切对应。

超导结中的热力学不确定性关系

Thermodynamic uncertainty relations in superconducting junctions

本文研究了超导结中的热力学不确定性关系，发现当用超导储库取代金属储库时，由于多重Andreev反射与正常准粒子输运共存，会导致大幅TUR违反，这为构建低耗散且高稳定的量子热机提供了优势。

金属点接触电导量子化

Conductance quantisation in metallic point contacts

本文综述了原子尺度导体的电输运性质，着重讨论了原子尺度导体的电输运性质与金属团簇量子尺寸效应的关系。简要介绍了讨论弹道导体中电子输运的自然形式--Landauer理论。在介绍了研究金属中弹道式点接触的实验技术之后，给出了原子尺度接触电导的实验观测结果。为了获得一个完整的描述，电导的量子模式，最近开发的几种技术进行审查，这超出了直接测量的电导。简要讨论了一种不寻常的原子几何形状的金接触，它演变成一个链的自由悬浮的原子。然后壳填充效应在钠纳米线的电导模式对系统的总能量的影响的上下文中进行了讨论。本章最后展望了有希望的新发展。

Ideal Conductor Model: An analytical finite-size correction for non-equilibrium molecular dynamics simulations of ion transport through nanoporous membranes

Modulating ion transport through nanoporous membranes is critical to many important chemical and biological separation processes. The corresponding transport timescales, however, are often too long to capture accurately using conventional molecular dynamics (\textsc{Md}). Recently, path sampling techniques such as forward-flux sampling (\textsc{Ffs}) have emerged as attractive alternatives for efficiently and accurately estimating arbitrarily long ionic passage times. Here, we use non-equilibrium \textsc{Md} and \textsc{Ffs} to explore how the kinetics and mechanism of pressure-driven chloride…

低温无序导体中的退相干，软局部激励的影响

Decoherence in Disordered Conductors at Low Temperatures, the effect of Soft Local Excitations

传导电子的退相速率$τ_ϕ^{-1}$预期随温度而消失。最近报道了在非常低的温度下，在几个系统中这种失相速率的非常有趣的明显饱和。认为这代表零点涨落的退相的建议在理论和实验上都产生了争议。我们首先证明，退相率必须消失在$T\to 0$限制，除非一个大的基态简并存在。这个热力学证明包括大多数相关系统，并且对于从{ \em线性}传输测量中确定$τ_ϕ$是有效的。事实上，我们的实验明确地表明，当使用严格的线性传输时，$τ_ϕ$的表观低温饱和被消除。然而，线性传输状态的条件比迄今预期的更严格。实验的另一个新结果是，在我们的样品中引入重金属杂质（金），即使在线性传输中，在非常低的温度下也会产生失相速率的肩部。然后，我们从理论上表明，低洼的局部缺陷可能会产生相对较大的失相率在低温下。然而，正如预期的那样，当$T \to 0$时，该速率实际上消失，与我们的实验观察一致。

探索三种原子厚的金结构作为原子尺度校准断裂接头系统的基准

Exploring Three-Atom-Thick Gold Structures as a Benchmark for Atomic-Scale Calibration of Break-Junction Systems

研究了原子级金接触的电子输运，通过断裂接头技术在低温和常温下进行，结合分子动力学和ab initio计算，发现三种原子厚结构，并提出快速可靠的校准方法。

非高斯噪声的约瑟夫森结探测器

Josephson junction detector of non-Gaussian noise

从理论上研究了利用约瑟夫森结作为片上探测器测量非线性介观导体电流噪声的高阶累积量。该文件解决的制度，介观导体的噪声启动激活逃逸的约瑟夫森检测器的零电压状态，这可以被观察到的电压上升。结果表明，从约翰逊-奈奎斯特噪声的偏差可以主要占由一个有效的温度，这取决于第二噪声累积量的导体。从高斯统计的偏差导致相当弱的影响，基本上只有第三累积量可以利用从零电压状态的逃逸率的偏置电流的方向上的校正的依赖性进行测量。当偏置电流接近临界电流时，这些修正消失。该理论是基于一个描述的不可逆过程和波动的状态变量和共轭力。这种方法，回到Onsager和Machlup的工作，扩展到非高斯噪声，它示出的共轭力的电荷起着类似的作用，在最近的方法来描述非高斯噪声统计的计数字段。该理论允许获得渐近精确的结果逃逸率在弱噪声限制的约瑟夫森检测器的阻尼强度的所有值。同样，通过平等对待两个耦合的介观器件，充分考虑了检测器对噪声产生导体的反馈。

双金属纳米颗粒上的亚纳米热力学覆盖层

Subnanometer thermodynamic overlayers on bimetallic nanoparticles

本研究报道双金属纳米颗粒可形成热力学控制的亚纳米“壳-二聚体”覆盖层结构，以Au-Rh为模型揭示其由表面、界面和应变能竞争稳定，受各向异性应变限制，为多金属表面结构调控提供基础。

无序系统中强自旋轨道耦合下的量子干涉和电子-电子相互作用

Quantum interference and electron-electron interactions at strong spin-orbit coupling in disordered systems

无序导体的输运和热力学性质在平均自由时间内由于自旋-轨道相互作用（SOI）而导致的电子自旋进动角度变得显著时被显著地修改。Cooperon和扩散方程求解的SOI的整个强度范围。SOI的电子-电子相互作用和干扰效应在各种实验设置的影响进行了讨论。

Highly conductive and complete spin filtering of nickel atomic contacts in a nitrogen atmosphere

Generating efficient and highly spin-polarized currents through nanoscale junctions is essential in the field of nanoelectronics and spintronics. In this paper, using $ab$ $initio$ electron transport calculations, we predict highly conductive and perfect spin filtering of nickel atomic contacts in a nitrogen environment, where a single N$_2$ molecule sits in parallel (energetically most favorable) between two nickel electrodes. Such a particular performance is due to the wave function orthogonality between majority spin $s$-like states of ferromagnetic electrodes and the lowest unoccupied mole…

超导体/正常金属系统介观涨落的场论

Field Theory of Mesoscopic Fluctuations in Superconductor/Normal-Metal Systems

正常无序导体的热力学和输运性质受到超导体邻近性的强烈影响。介观相干性和超导体粒子的Andreev散射之间的合作产生了新型的干涉现象。我们介绍了一个场论的方法，能够探索超导体/正常金属系统的平均性能和介观波动。作为一个例子，该方法被应用到研究的水平统计的SNS结。

原子极限下一维扩展哈伯德模型中伪转变附近模仿卡诺循环的量子奥托引擎

Quantum Otto engine mimicking Carnot near pseudotransitions in the one-dimensional extended Hubbard model in the atomic limit

本研究以原子极限下一维扩展哈伯德模型（EHM）为工作物质，利用其半填充状态的热伪转变反常行为，发现量子奥托引擎在此区域运行时功输出和热效率提升，接近卡诺引擎性能，为量子热力学研究提供新方向。

表面原子线中混合Luttinger液体/Fermi液体的行为

Hybrid Luttinger liquid/Fermi liquid behaviour in an atomic wire on a surface

单原子操作的最新进展使得在半导体表面上以原子尺度线性结构的形式创建“线”成为可能。如果这种结构要用于未来的电子器件，就有必要知道它们在多大程度上表现为一维导体，其中导线中电子-电子相互作用的存在导致与高维系统中发现的性质完全不同的性质。特别是，这将是有用的，知道这些结构是否保留任何的Luttinger液体性质，预测一个纯的一维金属。然而，对这种结构的实验研究迄今为止产生了不明确和矛盾的结果。我们通过在表面上创建一个高度简化的导线模型来研究这个问题-一个原子链，包括电子-电子相互作用来代表导线，耦合到一个类似的链，排除电子-电子相互作用来代表，虽然粗糙，表面。我们提出的结果，这样的系统，表明许多Luttinger液体指标的本征态和光谱函数。然而，该系统作为一个整体保留了一些残留的费米液体的特性，因此合并的一维和更高的维度的属性。