理解和操纵低维材料中的热传输对于科学发展和实际应用都具有重要意义。小量子系统的量子性和受限性，导致了声子和光子的量子化热导。基于小量子系统的新奇性质，人们提出了一些新型热器件的理论模型，如量子热整流器和量子热晶体管。

量子热输运的最简单的模型是非平衡自旋玻色子（NESB）系统，通常由与两个具有有限温度偏差的玻色子库相互作用的二能级系统来表示。从热流的角度看，在系统-热库弱耦合区，稳态热流随耦合强度的增加呈线性增强；而在强耦合区热流则表现出非线性行为。从热操控的角度来看，NESB中一个典型的非线性效应是负微分热导（NDTC），即随着两个热库温差的增加，热流将违反直觉地减小。对于非平衡自旋玻色子系统，Segal结合Marcus近似采用NIBA方法首次发现了欧姆热库中负微分热导的出现，该近似方法要求强耦合和/或高温热库。最近，王晨等人提出了一个广义非平衡极化子变换Redfield方程（NE-PTRE）研究NESB中的量子热传递，并将NESB从弱耦合到强耦合的能量输运图像统一起来。但是，当热库为欧姆库时，NE-PTRE方法退化为NIBA方法，因此，在非弱耦合的欧姆浴中，NDTC的存在仍然是一个悬而未决的问题。其关键在于，NIBA方法在欧姆热库弱相互作用时将会发散，并且无法考虑非马尔可夫的记忆效应。

近日，厦门大学复杂系统研究组基于正则变换和全计数统计理论，发展了一种非马尔可夫方法以研究非平衡二能级系统的量子耗散和热输运。应用该方法于自旋玻色子系统，可得到布居数及热流的瞬态动力学，清楚展现了系统趋向非平衡稳态的驰豫过程以及量子相干性在其中的影响。结果表明，布居数动力学和能量流动力学呈现相同衰减率的单调行为，而量子相干性的振荡行为则表现出非马尔可夫效应。有意思的是，通过调节热库的温度偏差，研究发现在前人提出的旋转波-马尔科夫近似下，系统不存在负微分热导效应，而使用该方法时，随着耦合强度的增加系统明显地表现出负微分热导效应（如图所示）。该研究结果可为纳米器件的能量控制和信息传输提供理论指导。

相关成果以“Quantum thermal transport via a canonically transformed Redfield approach”为题发表在美国APS杂志Physical Review B上（Phys. Rev. B 103, 075407 (2021)）。论文第一作者为曹秀凤副教授，合作者包括浙江师范大学王晨副教授和上海交通大学郑杭教授，共同通讯作者为贺达海教授和曹秀凤副教授。该工作得到了国家自然科学基金委员会的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.075407