Vật Lý Hệ Nano Không Chiều và Một Chiều: Điểm Lượng Tử, Dây Nano & Ứng Dụng

Khám phá vật lý hệ nano 0 và 1 chiều: tính chất lượng tử độc đáo, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ nano và điện tử học. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Sachindra Nath Karmakar
• Trường học: Saha Institute of Nuclear Physics
• Chuyên ngành: Physics
• Đề tài: Physics of Zero- and One-Dimensional Nanoscopic Systems
• Loại tài liệu: book
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Berlin

Tóm tắt

I. Vật Lý Hệ Nano 0D 1D Tổng Quan Về Điểm Lượng Tử Dây Nano

Vật lý hệ nano là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng, khám phá tính chất vật lý của vật liệu ở kích thước nanomet, nơi các hiệu ứng lượng tử chiếm ưu thế. Hai thành phần quan trọng của lĩnh vực này là vật liệu nano 0D (điểm lượng tử) và vật liệu nano 1D (dây nano). Điểm lượng tử, đôi khi còn được gọi là nanocrystals hoặc nanoparticles, là các cấu trúc bán dẫn có kích thước chỉ vài nanomet, giới hạn các electron trong không gian ba chiều. Dây nano, hay nanowires, là các cấu trúc có đường kính nano nhưng chiều dài lớn hơn nhiều, cho phép electron di chuyển tự do dọc theo chiều dài của dây. Sự khác biệt về chiều không gian giới hạn electron dẫn đến sự khác biệt lớn trong tính chất quang học điểm lượng tử và tính chất điện tử dây nano. Do đó, việc nghiên cứu sâu về hai loại vật liệu này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau, từ điện tử, quang điện tử đến y sinh. Theo Karmakar và cộng sự (2007), các hệ nano 0D và 1D hứa hẹn tạo ra các thiết bị điện tử và quang tử nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn, đồng thời mở ra những khả năng hoàn toàn mới trong các lĩnh vực khác. Nghiên cứu và phát triển trong công nghệ nano đang được thúc đẩy mạnh mẽ bởi tiềm năng to lớn của các vật liệu này.

1.1. Điểm Lượng Tử 0D Định Nghĩa và Đặc Điểm Cơ Bản

Điểm lượng tử (Quantum dots) là các cấu trúc bán dẫn có kích thước nanomet (1-10 nm), đủ nhỏ để thể hiện các hiệu ứng lượng tử đáng kể. Khi electron bị giới hạn trong một không gian nhỏ như vậy, năng lượng của nó bị lượng tử hóa, tạo ra các mức năng lượng rời rạc tương tự như các nguyên tử riêng lẻ. Do đó, điểm lượng tử đôi khi được gọi là 'nguyên tử nhân tạo'. Kích thước điểm lượng tử có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học của chúng. Điểm lượng tử nhỏ hơn có khoảng cách năng lượng lớn hơn giữa các mức, dẫn đến phát xạ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (màu xanh lam hơn). Ngược lại, điểm lượng tử lớn hơn phát xạ ánh sáng có bước sóng dài hơn (màu đỏ hơn). Khả năng điều chỉnh màu sắc phát xạ bằng cách thay đổi kích thước điểm lượng tử là một đặc điểm độc đáo, mở ra nhiều ứng dụng trong hiển thị, chiếu sáng và cảm biến sinh học. Tài liệu gốc đề cập đến 'Kondo effect in quantum dots' nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát kích thước và các thông số vi mô để nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử.

1.2. Dây Nano 1D Định Nghĩa và Đặc Điểm Cơ Bản

Dây nano (Nanowires) là các cấu trúc có hình dạng giống như sợi chỉ, với đường kính nanomet (1-100 nm) và chiều dài lớn hơn nhiều. Electron có thể di chuyển tự do dọc theo chiều dài của dây, nhưng bị giới hạn trong hai chiều còn lại. Tính chất điện tử của dây nano phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và kích thước dây nano. Dây nano bán dẫn, chẳng hạn như silicon nanowire, có thể được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn nano, cảm biến và các thiết bị điện tử khác. Dây nano kim loại, chẳng hạn như vàng nanowire, có độ dẫn điện cao và có thể được sử dụng làm kết nối trong các mạch nano. Tổng hợp dây nano thường được thực hiện bằng các phương pháp như lắng đọng hơi hóa học (CVD), phương pháp dung dịch và phương pháp khuôn. Kiểm soát kích thước dây nano và cấu trúc là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn. Các tài liệu khoa học thường thảo luận về 'edge-state transport through nanographites', một ứng dụng tiềm năng của dây nano.

II. Thách Thức và Vấn Đề Trong Nghiên Cứu Vật Lý Hệ Nano 0D 1D

Mặc dù có tiềm năng to lớn, việc nghiên cứu và ứng dụng vật lý hệ nano vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát kích thước điểm lượng tử và kích thước dây nano một cách chính xác và đồng đều. Ngay cả những sai lệch nhỏ về kích thước điểm lượng tử có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể về tính chất quang học và điện tử. Thêm vào đó, việc tổng hợp điểm lượng tử và tổng hợp dây nano với độ tinh khiết cao và số lượng lớn vẫn là một thách thức. Các tạp chất và khuyết tật có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất vật lý của vật liệu nano. Một thách thức khác là kết hợp các cấu trúc nano vào các thiết bị vĩ mô. Việc kết nối điện và cơ học giữa các cấu trúc nano và các thành phần vĩ mô có thể rất khó khăn. Cuối cùng, các vấn đề liên quan đến độc tính và an toàn của vật liệu nano cần được giải quyết trước khi chúng có thể được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thương mại.

2.1. Kiểm Soát Kích Thước và Độ Đồng Đều của Cấu Trúc Nano

Kiểm soát kích thước điểm lượng tử và kích thước dây nano là vô cùng quan trọng để đạt được các tính chất vật lý mong muốn. Các phương pháp tổng hợp điểm lượng tử và tổng hợp dây nano khác nhau có thể tạo ra các cấu trúc có độ phân tán kích thước khác nhau. Các phương pháp như lắng đọng hơi hóa học (CVD) và phương pháp dung dịch có thể được tối ưu hóa để cải thiện độ đồng đều kích thước, nhưng việc đạt được độ đồng đều hoàn hảo vẫn là một thách thức. Sự biến đổi kích thước thậm chí nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính điện, quang và cơ học của vật liệu, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị. 'Physics of Zero- and One-Dimensional Nanoscopic Systems' cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự kiểm soát kích thước điểm lượng tử và các chiến lược để giảm sự phân tán kích thước.

2.2. Ảnh Hưởng của Tạp Chất và Khuyết Tật Đến Tính Chất Vật Lý

Tạp chất và khuyết tật trong vật liệu nano có thể có tác động đáng kể đến tính chất điện tử, quang học và cơ học của chúng. Tạp chất có thể tạo ra các mức năng lượng bổ sung trong vùng cấm của bán dẫn, thay đổi độ dẫn điện và tính chất quang học. Khuyết tật cấu trúc, chẳng hạn như vị trí trống và dislocaton, có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ bền của vật liệu. Do đó, việc phát triển các phương pháp tổng hợp điểm lượng tử và tổng hợp dây nano để giảm thiểu sự hiện diện của tạp chất và khuyết tật là rất quan trọng để đạt được các tính chất vật lý mong muốn. Các phương pháp phân tích vật liệu nano tiên tiến, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quang phổ kế Auger, có thể được sử dụng để xác định và định lượng các tạp chất và khuyết tật.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Điểm Lượng Tử Từ Hóa Học Đến Tự Lắp Ráp

Việc tổng hợp điểm lượng tử là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, với nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để tạo ra các cấu trúc này với kích thước, hình dạng và thành phần được kiểm soát. Các phương pháp tổng hợp hóa học, chẳng hạn như phương pháp hot-injection, là phổ biến nhất, cho phép sản xuất điểm lượng tử với độ đơn phân tán và độ tinh khiết cao. Phương pháp tự lắp ráp, trong đó các nguyên tử hoặc phân tử tự tổ chức thành các cấu trúc có trật tự, cũng đang nổi lên như một cách đầy hứa hẹn để tạo ra điểm lượng tử với độ chính xác cao. Ngoài ra, các phương pháp vật lý, chẳng hạn như lắng đọng laser xung (PLD) và epitaxy chùm phân tử (MBE), có thể được sử dụng để tạo ra điểm lượng tử trên các bề mặt có trật tự.

3.1. Phương Pháp Hot Injection Ưu Điểm và Hạn Chế

Phương pháp hot-injection là một phương pháp tổng hợp điểm lượng tử hóa học phổ biến, liên quan đến việc tiêm nhanh các tiền chất vào một dung dịch nóng chứa các chất hoạt động bề mặt. Nhiệt độ cao và sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt thúc đẩy sự hình thành và tăng trưởng của điểm lượng tử. Phương pháp này có thể tạo ra các nanocrystals có độ đơn phân tán cao (tức là, có kích thước tương tự nhau) và độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, phương pháp hot-injection cũng có một số hạn chế. Nó đòi hỏi phải sử dụng các dung môi và tiền chất đắt tiền, và quá trình này có thể khó kiểm soát. Ngoài ra, điểm lượng tử được tổng hợp bằng phương pháp hot-injection thường được bao phủ bởi một lớp chất hoạt động bề mặt, có thể ảnh hưởng đến tính chất vật lý của chúng.

3.2. Tự Lắp Ráp Tạo Cấu Trúc Nano Từ Dưới Lên

Tự lắp ráp là một phương pháp tiếp cận từ dưới lên để tổng hợp điểm lượng tử, trong đó các nguyên tử hoặc phân tử tự tổ chức thành các cấu trúc có trật tự. Phương pháp này có thể tạo ra các nanocrystals với độ chính xác cao và độ khiếm khuyết thấp. Tuy nhiên, việc kiểm soát quá trình tự lắp ráp có thể rất khó khăn, và các cấu trúc được tạo ra có thể không ổn định. Các tài liệu thường nhắc đến khái niệm 'Topology in Condensed Matter' liên quan đến tự lắp ráp, nhấn mạnh tầm quan trọng của cấu trúc hình học trong các thuộc tính của vật liệu.

IV. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Điểm Lượng Tử Trong Công Nghệ Hiện Đại

Ứng dụng của điểm lượng tử đang cách mạng hóa nhiều lĩnh vực công nghệ. Trong hiển thị, điểm lượng tử được sử dụng để tạo ra màn hình LCD với màu sắc rực rỡ và độ tương phản cao hơn. Trong chiếu sáng, chúng cho phép phát triển đèn LED hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Trong cảm biến sinh học, điểm lượng tử được sử dụng làm nhãn huỳnh quang để phát hiện các bệnh và theo dõi các quá trình sinh học. Chúng cũng đang được khám phá để sử dụng trong năng lượng mặt trời, transistor và điện toán lượng tử.

4.1. Màn Hình Hiển Thị và Chiếu Sáng Sử Dụng Điểm Lượng Tử

Tính chất quang học điểm lượng tử độc đáo, đặc biệt là khả năng điều chỉnh màu sắc phát xạ bằng cách thay đổi kích thước, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng hiển thị và chiếu sáng. Màn hình LCD sử dụng điểm lượng tử có thể hiển thị gam màu rộng hơn và độ tương phản cao hơn so với màn hình LCD truyền thống. Đèn LED sử dụng điểm lượng tử hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt.

4.2. Điểm Lượng Tử Trong Cảm Biến Sinh Học và Y Học

Điểm lượng tử có thể được sử dụng làm nhãn huỳnh quang trong các ứng dụng cảm biến sinh học và y học. Chúng sáng hơn và ổn định hơn so với thuốc nhuộm huỳnh quang hữu cơ truyền thống, cho phép phát hiện các mục tiêu sinh học nhạy hơn. Điểm lượng tử có thể được liên kết với các kháng thể hoặc các phân tử khác để nhắm mục tiêu các tế bào hoặc mô cụ thể, cho phép hình ảnh và chẩn đoán có độ chọn lọc cao. Theo nhiều nguồn tài liệu, khả năng phân tích vật liệu nano chính xác, đảm bảo độ an toàn sinh học, là yếu tố then chốt để phát triển các ứng dụng này.

V. Nghiên Cứu Tính Chất Điện Tử Dây Nano Ứng Dụng Tiềm Năng

Tính chất điện tử của dây nano là trọng tâm của nhiều nghiên cứu, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng trong điện tử nano, cảm biến và thu năng lượng. Dây nano bán dẫn, chẳng hạn như silicon nanowire, có thể được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn nano với kích thước nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với bóng bán dẫn silicon truyền thống. Dây nano kim loại có thể được sử dụng làm kết nối trong các mạch nano, cung cấp độ dẫn điện cao và độ tin cậy. Chúng cũng đang được khám phá để sử dụng trong cảm biến hóa học và sinh học, thu năng lượng mặt trời và nhiệt điện.

5.1. Ứng Dụng Dây Nano Silicon Trong Bóng Bán Dẫn Nano

Dây nano silicon (SiNWs) là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các bóng bán dẫn nano. SiNWs có thể được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn trường hiệu ứng (FETs) với kích thước nhỏ hơn, hiệu suất cao hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn so với bóng bán dẫn silicon truyền thống. Hình học một chiều của SiNWs cho phép kiểm soát tốt hơn dòng điện và điện áp, dẫn đến hiệu suất chuyển mạch được cải thiện. Việc 'Point-Contact Spectroscopy' kết hợp với SiNWs giúp nghiên cứu chi tiết các tính chất điện tử ở quy mô nano.

5.2. Dây Nano Kim Loại Kết Nối Tối Ưu Trong Mạch Nano

Dây nano kim loại, chẳng hạn như vàng nanowire và đồng nanowire, có độ dẫn điện cao và độ tin cậy, làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các kết nối trong các mạch nano. Chúng có thể được sử dụng để kết nối các thành phần khác nhau của một mạch nano, cung cấp dòng điện hiệu quả và độ suy hao tín hiệu thấp. Dây nano kim loại cũng có thể được sử dụng để tạo ra các điện cực cho các thiết bị nano.

VI. Tương Lai Của Vật Lý Hệ Nano 0D 1D Đột Phá và Triển Vọng

Tương lai của vật lý hệ nano 0D & 1D hứa hẹn sẽ có nhiều đột phá và triển vọng. Các nhà khoa học đang tiếp tục khám phá các phương pháp tổng hợp điểm lượng tử và tổng hợp dây nano mới để tạo ra các cấu trúc có kích thước, hình dạng và thành phần được kiểm soát tốt hơn. Các ứng dụng mới đang được phát triển trong các lĩnh vực khác nhau, từ điện tử, quang điện tử đến y sinh. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, vật lý hệ nano có tiềm năng cách mạng hóa nhiều khía cạnh của cuộc sống của chúng ta.

6.1. Vật Liệu Nano Mới Khám Phá Vật Liệu Vượt Ra Ngoài Giới Hạn

Nghiên cứu và phát triển vật liệu nano mới là một lĩnh vực hoạt động mạnh mẽ. Các nhà khoa học đang khám phá các vật liệu như graphene quantum dots, carbon nanotubes, và các vật liệu hai chiều khác để tạo ra các cấu trúc nano với các tính chất vật lý độc đáo. Những vật liệu này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực công nghệ, từ điện tử đến năng lượng.

6.2. Tích Hợp Hệ Nano Vào Các Thiết Bị Thực Tế Hướng Đến Ứng Dụng

Thách thức lớn nhất trong công nghệ nano là tích hợp các cấu trúc nano vào các thiết bị thực tế. Các nhà khoa học đang làm việc trên các phương pháp mới để kết nối điện và cơ học giữa các cấu trúc nano và các thành phần vĩ mô. Với sự tiến bộ của các kỹ thuật chế tạo, chúng ta có thể mong đợi thấy nhiều thiết bị nano hơn được sử dụng trong các ứng dụng thương mại trong tương lai gần. Các công cụ đặc trưng vật liệu nano, như phân tích nhiễu xạ tia X, sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình tích hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Springer Series in solid-state sciences  www.com Springer Series in solid-state sciences Series Editors: M. Störmer The Springer Series in Solid-State Sciences consists of fundamental scientific books prepared by leading researchers in the field. They strive to communicate, in a systematic and comprehensive way, the basic principles as well as new developments in theoretical and experimental solid-state physics.  Phase Separation  Electron Scattering in Solid Matter in Soft Matter Physics A Theoretical Micellar Solutions, Microemulsions, and Computational Treatise Critical Phenomena By J.

Weinberger  Optical Response of Nanostructures  Physical Acoustics in the Solid State Microscopic By B. Lüthi Nonlocal Theory  Solitary Waves By K. Cho in Complex Dispersive Media  Fractal Concepts Theory · Simulation · Applications in Condensed Matter Physics By V. Yakubo  Topology in Condensed Matter  Excitons in Low-Dimensional Editor: M.

Monastyrsky Semiconductors  Particle Penetration and Radiation Theory, Numerical Methods, Effects Applications By S. Sigmund  Two-Dimensional Coulomb Liquids  Magnetism and Solids From Fundamentals By Y. Kono to Nanoscale Dynamics  X-Ray Multiple-Wave Diffraction By H. Stöhr Theory and Application  Quantum Chemistry of Solids By S.

Chang The LCAO First Principles  Physics of Transition Metal Oxides Treatment of Crystals By S. Ishihara,  Low-Dimensional Molecular Metals W. Müller  Point-Contact Spectroscopy  Diffusion in Solids By Y. Yanson Fundamentals, Methods, Materials,  Optics of Semiconductors Diffusion-Controlled Processes and Their Nanostructures By H.

Hetterich  Physics of Zero- and One-Dimensional Nanoscopic Systems By S. Chowd- hury Volumes – are listed at the end of the book.com Sachindra Nath Karmakar · Santanu Kumar Maiti · Jayeeta Chowdhury (Eds.) Physics of Zero- and One-Dimensional Nanoscopic Systems With  Figures 123 www. Sachindra Nath Karmakar Santanu Kumar Maiti Jayeeta Chowdhury Saha Institute of Nuclear Physics Bidhannagar  Kolkata India Series Editors: Professor Dr. Manuel Cardona Professor Dr.

Peter Fulde∗ Professor Dr. Klaus von Klitzing Professor Dr. Hans-Joachim Queisser Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Heisenbergstrasse ,  Stuttgart, Germany ∗ Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Nöthnitzer Straße   Dresden, Germany Professor Dr. Roberto Merlin Department of Physics,  East University, University of Michigan Ann Arbor, MI -, USA Professor Dr.

Horst Störmer Dept. Physics, Columbia University, New York, NY  and Bell Labs., Lucent Technologies, Murray Hill, NJ , USA Library of Congress Control Number:  ISSN - ISBN ---- Springer Berlin Heidelberg New York This work is subject to copyright. All rights are reserved, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilm or in any other way, and storage in data banks. Duplication of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the German Copyright Law of September , , in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer.

Violations are liable for prosecution under the German Copyright Law. Springer is a part of Springer Science+Business Media springer.com  c Springer-Verlag Berlin Heidelberg  The use of general descriptive names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. Typesetting: Digital data supplied by authors Production: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Cover design: eStudio Calamar S.

Steinen-Broo, Girona, Spain SPIN  //YL –       Printed on acid-free paper www.com To our parents www.com Preface The idea of this volume emerges from the “International Workshop on the Physics of Zero and One Dimensional Nanoscopic Systems,” which was held on 1-9 February 2006 at Saha Institute of Nuclear Physics, India. The theme of the workshop was to understand physically the recent advances in nanoscale systems, like, quantum dots, quantum wires, 2D electron gases, etc. A limited number of distinguished physicists were invited to give pedagogical lectures and discuss core methods including the latest developments. This volume con- sists of self-contained review articles on recent theories of the evolution of Kondo effect in quantum dots, decoherence and relaxation in charged qubits, edge-state transport through nanographites and quantum Hall systems, trans- port through molecular bridges, coherence and interaction in diffusive meso- scopic systems, persistent current in mesoscopic rings, and, the thermoelectric phenomena of nanosystems.

As these are rapidly growing subjects, we hope that this book with contributions from the leading experts will serve as a stimulus for new researchers and also become a landmark to the body of the knowledge in the field. We have presented the articles on quantum dots first, then on quantum wires and finally on 2D electron gases. A brief account of each chapter is given below: The first chapter by Avraham Schiller starts with a brief historical note on the Kondo problem. The Anderson Hamiltonian for the ultra-small quantum dot is then mapped onto the Kondo Hamiltonian applying a suitable canonical transformation eliminating charge fluctuations.

A detailed study of resistivity and conductance for tunneling through ultra-small quantum dots is given. The Toulouse limit, where the model can be solved exactly using standard techniques is studied here using Abelian bosonization. At T = 0 and B = 0, a Lorentzian zero-bias anomaly is observed in the differential conductance as a function of voltage bias. Nonzero temperature smears out the zero-bias anomaly and nonzero magnetic field splits the peak into two.

In this article, a diagrammatic approach known as noncrossing approximation (NCA) to the Kondo problem is also introduced within slave boson representation. There is a sharp Abrikosov-Suhl resonance near the Fermi level in the equilibrium dot www.com VIII Preface density of states. This resonance splits as the voltage bias sufficiently exceeds the Kondo temperature which is also supported by experiments. The second chapter by Yuval Oreg and David Goldhaber-Gordon reviews a theoretical analysis of a system consisting of a large electron droplet cou- pled to a small electron droplet.

This system displays two-channel Kondo behavior at experimentally accessible temperatures. Special emphasis is put on the estimate of the two-channel Kondo energy scale using a perturbative renormalization group approach. Their predictions for the differential conduc- tance in a scaling form is convenient for experimental analysis. They have also pointed out some open questions.

In the third chapter K. Avishai show that a new ingredi- ent in the study of the Kondo effect in quantum dots (also called artificial molecules) is the internal symmetry of the nano-object, which proves to play a crucial role in the construction of the effective exchange Hamiltonian. This internal symmetry combines continuous spin symmetry (SU (2)) and discrete point symmetry (such as mirror reflections for double dots or discrete C3v rotation for equilateral triangular dots). When these artificial molecules are attached to metallic leads, the effective exchange Hamiltonian contains oper- ators which couple states belonging to different irreducible representations of the internal symmetry group.

In many cases, the set of dot operators appear- ing in the effective exchange Hamiltonian generate a group which is referred to as the dynamical symmetry group of the system dot-leads. These dynam- ical symmetry groups are mostly SO(n) or SU (n). One of the remarkable outcomes of their study is that the pertinent group parameters (such as the value of n) can be controlled by experimentalists. The reason for that is that the Kondo temperature turns out to be higher around the points of accidental degeneracy where the dynamical symmetry is “more exact” and these points can be tuned by experimental parameters such as gate voltages and tunneling strength.

In this review the authors have clarified and expanded these con- cepts, and discussed some specific examples. They go from “light to heavy” starting from a simple quantum dot, moving on to discuss double quantum dot (where only permutation (reflection) symmetry can be considered as in- ternal one) and finally elaborate on a triple quantum dot. In particular they concentrate on the difference between the chain geometry (where the three dots composing the triple dot are arranged in series) and the ring (triangular) geometry. When a perpendicular magnetic field is applied, the triple quantum dot in the ring geometry displays a remarkable combination of symmetries: U (1) of the electromagnetic field, SU (2) of the dot spin and C3v of the dot orbital dynamics.

The magnetic field controls the crossover between SU (2) and SU (4) dynamical symmetries and this feature shows up clearly in the conductance versus magnetic field curve. The fourth chapter with contribution from Alex Grishin, Igor V. Yurke- vich and Igor V. Lerner describes some essential features of loss of coherence by a qubit (controllable two-level system) coupled to the environment.

They first presented the well-known semiclassical arguments that relate both de- www.com Preface IX coherence and relaxation to the environmental noise. Then they show that models with pure decoherence (but no relaxation in qubit states) are exactly solvable. As an example, they have treated in detail the model of fluctuating background charges which is believed to describe one of the most important channels of decoherence for the charge Josephson junction qubit. They show that the decoherence rate is linear in T at low temperatures and saturates to a T -independent classical limit at ‘high’ temperatures, while depending in all the regimes non-monotonically on the coupling of the qubit to the fluctuating background charges.

They have also considered, albeit only perturbatively, the qubit relaxation by the background charges and demonstrated that a quasi- linear behavior of the spectral density of noise deduced from the measurements of the relaxation rate can be qualitatively explained. The contribution by Katsunori Wakabayashi in the fifth chapter eluci- dates the role of the edge states on the low-energy physical properties of nanographite systems. He first discussed the basics of the electronic proper- ties of the nanographte ribbons and pointed out the existence of edge-localized states near the zigzag edge. He then presented the electronic properties of the nanographite systems in the presence of magnetic field and provides a sim- ple picture for the origin of half-integer quantum Hall effect in graphene.

The study of the orbital and Pauli magnetization shows that a nanographite system with zigzag edges exhibits strong paramagnetic response at low-temperature due to the edge states, and there exist a crossover from a weak diamagnetic response at room temperature to a strong paramagnetic response at low tem- perature. It is also observed that electron-electron interaction can produce a ferrimagnetic spin polarization along the zigzag edge. In this article author also describes the electron transport properties of nanographite ribbon junc- tions. A single edge state cannot contribute to electron conduction due to the non-bonding character of the edge states.

However, in the zigzag ribbons edge states can provide a single-channel for electron conduction in the low- energy region due to the bonding and anti-bonding interaction between the edge states. The remarkable feature is the appearance of zero-conductance dips in the single-channel region where current vortex with Kekulé pattern is observed. Its relation with the asymmetric Aharonov-Bohm ring is also discussed. The sixth chapter by K.

Chao and Magnus Larsson is a review of the thermoelectric phenomena in nanosystems. Starting from the discovery of thermoelectric phenomenon in 1822 by Seebeck, the authors have divided the development of thermoelectricity into three stages. They pointed out that the thermodynamic theory was the driving force in the first stage, during which the Seebeck effect, the Peltier effect, the Thomson coefficient, the dual roles of thermoelectric power generation and refrigeration, and the efficiency of ther- moelectric processes were extensively investigated and understood fairly well qualitatively. For a long time the practical use of thermoelectricity was mea- suring temperature with thermocouples.

The beginning of the second stage was marked by the correct calculation of the efficiency of thermoelectric gen- www.com X Preface erator and refrigerator by Altenkirch in 1909. It was demonstrated that the efficiency depends mainly on a quantity which was later called the figure of merit. A higher value of this figure of merit indicates a better thermoelectric material.