FOP | 综述：新加坡国立大学王建生及合作者电子–光子系统中的输运

REVIEW ARTICLE

Jian-Sheng Wang, Jiebin Peng, Zu-Quan Zhang, Yong-Mei Zhang, and Tao Zhu, Transport in electron–photon systems, Frontiers of Physics 18(4), 43602 (2023)

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https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s1146‍7-023-1260-zhttps://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s1146‍7-023-1260-zhttps://doi.org/10.1007/s11467-023‍-1260-z物体之间由于光子的传播引起的能量、动量、和角动量输运现象已被证实在多种新兴技术领域产生了重要的应用价值。在可观测的宏观量上，能量、动量和角动量的传播具体表现为热、力和转矩在不同物体以及环境之间的传播和交换。传统理论上，这些物理量的非接触传播和输运主要由涨落电动力学（FE）理论所描述。近年来，随着研究尺度不断深入到纳米以下以及低维材料的发现，基于宏观麦克斯韦方程组的FE理论在处理相关物体之间的输运现象时存在一些困难。近年来，新加坡国立大学物理系的王建生（Jian-Sheng Wang）教授及其合作者提出了基于非平衡格林函数（NEGF）理论的光子输运现象理论模型，由于其出发点是基于微观的量子力学理论，成为了解决上述困难的有力工具。
近期，新加坡国立大学物理系王建生教授与广东工业大学彭洁彬、浙江师范大学张祖泉、南京航空航天大学张永梅以及天津工业大学朱涛等人合作，于Frontiers of Physics发表综述文章“Transport in electron–photon systems” [Front. Phys. 18(4), 43602 (2023)]。该文章系统化地综述了基于NEGF理论的电子系统之间由于光子耦合产生的输运现象的理论模型。文章主要包含三个部分，其中，第一部分回顾电子系统之间由标量光子，即库仑相互作用产生的输运现象；第二部分研究电子系统之间由矢量场产生的横向光子引起的输运现象；第三部分则给出一个基于时间规范（Φ=0）的关于电子系统之间光子输运问题的完备电动力学理论。
在这篇文章中，作者采用NEGF方法作为基本工具来研究定态电子系统之间的光子输运问题并建立理论模型。当系统处于局域平衡的状态下，该理论等价于被广泛使用的FE理论。然而，作为一个更加普适的理论，NEGF理论模型超出了传统FE理论的研究范畴。对此，文章给出了一些具体的研究例子。例如，在势场驱动下的非平衡态石墨烯之间的辐射热输运、双量子点之间的光子传播以及石墨烯纳米带的能量、动量和角动量的辐射等。所有的这些计算都基于一个一般化的Meir–Wingreen公式，此公式常被用于研究介观体系之间的电子输运现象。在这个理论模型中，材料自身的性质由光子自能函数来描述，通过结合Keldysh方程和Dyson方程的求解可以用来研究不同电子系统之间的光子输运现象。
该工作系统性地提出和回顾了基于NEGF方法的光子输运问题的一般化理论模型，建立了新型的光子输运理论并将其应用于不同的电子系统。该理论在局域平衡状态下等价于传统的FE理论，并且适用于传统FE理论无法研究的非平衡状态下的光子输运现象，有望为复杂的非平衡态光子输运现象提供新的理论工具。

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Jian-Sheng Wang graduated from Jilin University with a B.Sc in 1982. He joined the CUSPEA programme in 1982 and obtained Ph.D. (1987) in Physics from Carnegie-Mellon University. He had postdoctoral positions at Rutgers University (USA), HLRZ Juelich and University of Mainz (Germany). His first job was at Hong Kong Baptist College from 1991 to 1993. Since 1993, he has been at National University of Singapore. He was in the Department of Computational Science, and now is a professor in the Department of Physics. He is a fellow of the American Physical Society (2005) for his outstanding contributions to the development of novel computer simulation algorithms and for their use in the study of phase transitions and critical phenomena. Dr. Jian-Sheng Wang's research field is in Monte Carlo method in statistical physics (with applications in critical phenomena and phase transitions, spin-glasses, nonequilibrium systems known as driven diffusive systems, random sequential adsorption, and research for efficient algorithms). He is well-known for the development of the cluster algorithm by the name Swendsen-Wang algorithm for simulation of Ising and Potts models. His current interests move to quantum thermal transport, nonequilibrium Green's function methods, and near-field radiative heat transfer. For more details, see https://phyweb.physics.nus.edu.sg/~phywjs/.彭洁彬，广东工业大学“青年百人计划”B类引进人才。2009–2013年在兰州大学学习，获理论物理学士学位。2013–2017年在新加坡国立大学获物理博士学位。之后在同济大学从事博士后研究。2022年起来广东工业大学就职。主要从事近场热辐射、非平衡统计物理等方面的研究。利用涨落电动力学，量子非平衡格林函数等方法探究微纳尺度下的近场热辐射调控，主要关注热光子学，光学超材料超表面，非平衡驱动等系统，并在非平衡格林函数到热辐射上的应用方面做了基础性的工作。发表同行评审学术论文11篇（含ACS Photonics、Phys. Rev. B、Phys. Rev. Applied、APL等）。
张祖泉，浙江师范大学讲师。博士毕业于华中科技大学，曾在新加坡国立大学从事博士后工作。科研方向主要是用非平衡格林函数方法研究纳米结构体系的输运性质，包括界面热电输运、真空间隔在纳米尺度范围内的库仑力传热、电流诱导纳米结构体系的能量辐射和角动量辐射。E-mail: [e-mail]。张永梅，南京航空航天大学物理学院副教授。2005年博士毕业于南京大学物理系，2019.8–2020.9在新加坡国立大学物理系做访问学者。主要从事计算凝聚态物理研究，研究兴趣包括低维系统的电子、声子、光子的输运性质和二维微纳结构的远场热辐射。发表SCI 论文20多篇。E-mail: [e-mail]。
朱涛，天津工业大学电子与信息工程学院副教授，“天工百人”引进人才。2014年本科毕业于西安交通大学应用物理系，2019年博士毕业于新加坡国立大学物理系。之后在新加坡国立大学从事博士后研究，2022年加入天津工业大学。主要从事光子输运问题的微观基础理论、第一性原理计算、和人工智能等方面的研究工作。近五年来，在Nature Communication、Physical Review B、Physical Review Applied等国内外知名期刊已发表论文15篇。E-mail：[e-mail]。

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编辑：黄琦

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