山西大学在量子几何非线性涨落耗散定理研究中取得重要进展

近日，山西大学激光光谱研究所张磊教授和理论物理研究所陈君教授联合深圳大学物理与光电工程学院王健讲席教授团队，在量子几何驱动的非线性输运理论研究中取得重要突破。研究团队首次建立了量子几何非线性输运中的广义涨落—耗散关系，揭示了线性直流电流噪声与二阶非线性光电响应之间深刻而普适的内在联系。相关研究成果“Quantum Geometric Fluctuation-Dissipation Relation for Nonlinear Transport”，发表于国际权威物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters 137,026301 (2026)）。陈君教授、张磊教授、王健教授为通讯作者，激光光谱研究所硕士生王睿与博士生刘欣月为共同第一作者，深圳大学许富明教授参与了该项工作。

涨落—耗散定理是统计物理和量子物理的基本原理之一，它建立了系统平衡态涨落与线性响应之间的定量联系。经典的约翰逊—奈奎斯特关系（Johnson-Nyquist Relation）将电流噪声与线性电导联系起来，奠定了现代输运理论基础。然而，在近年来备受关注的量子几何驱动非线性输运过程中，电子响应往往表现出明显的非平衡和非线性特征，其背后受布洛赫电子态几何结构控制，传统涨落—耗散理论难以适用。因此，如何建立量子几何与非线性输运中的涨落—耗散关系，成为凝聚态物理领域长期悬而未决的重要问题。

图. 在具有能隙的量子材料中，直流电场诱导的一阶直流电流噪声S(1)与体光伏效应中的二阶光电流J(2)之间存在广义涨落—耗散关系，两者均源于布洛赫电子态的量子几何。

针对这一挑战，研究团队基于微观密度矩阵理论，系统建立了非线性输运中的广义涨落—耗散框架。研究发现，在直流电场作用下产生的一阶直流电流噪声不仅表征电子输运过程中的电流涨落，还直接编码了布洛赫电子态的量子几何信息。团队进一步严格证明，这种线性直流噪声与体光伏效应中的二阶非线性光电流之间存在精确对应关系：噪声谱可由频率积分后的非线性光学响应唯一确定，从而建立起电学噪声与非线性光学响应之间的新型桥梁。

基于上述理论，研究表明仅通过直流偏压下的电流噪声测量，即可获得控制非线性光学响应的量子几何张量信息，实现对量子几何的“暗探测（Dark Probe）”。这一发现为研究量子材料中的非线性光电性质提供了全新的实验途径，也将涨落—耗散原理从传统线性响应领域拓展到量子几何主导的非线性、非平衡输运领域。

该成果获得国际同行专家高度评价。审稿人认为，该工作具有最高水平的研究质量，提出了具有广泛影响力的原创性理论结果，将受到量子输运、统计物理、量子几何以及非线性光学等领域研究人员的广泛关注。

该工作得到了国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、山西省回国留学人员科研项目、光量子技术与器件全国重点实验室、省部共建极端光学协同创新中心的支持。（通讯员：张颖）