亞利桑那州立大學 賴英成

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個人簡介

賴英成.png

職務

五角大樓萬尼瓦爾·布什教職研究員(原國家安全科學與工程學院研究員),電氣工程ISS被資助的教授,美國亞利桑那州立大學的物理學教授,美國亞利桑那州立大學的美國物理協會院士(自1999年),愛丁堡皇家學會相應研究員(蘇格蘭國家科學院和外國文學院成員)

主要經歷

賴英成於1982年和1985年獲得浙江大學光學工程學士和碩士學位,並獲得碩士和博士學位。1989年和1992年分別在馬里蘭大學帕克分校獲得物理學學位。他寫了他的博士學位。關於Celso Grebogi,James A. Yorke 和Edward Ott的經典和量子混沌論文。1992年至1994年,他在約翰霍普金斯大學醫學院生物醫學工程系擔任Raimond Winslow和Murray Sachs的博士後研究員。他加入了堪薩斯大學在1994年作為助理教授物理和數學並於1998年成為副教授。1999年,他作為數學副教授和電氣工程副教授 來到亞利桑那州立大學。他於2001年晉陞為數學教授和電氣工程教授。2005年,他將全職工作轉為電氣工程。從2009年到2017年,他是英國蘇格蘭阿伯丁大學電子工程的六世紀教席。自2014年1月起,他一直是亞利桑那州立大學的電子工程教授。

賴英成在1997年從白宮獲得了空軍總統科學家和工程師早期職業獎(PECASE)。同年,他還獲得了國家科學基金會的教師職業獎。1999年,他被選為美國物理學會會員,並被引用為:為非線性動力學和混亂的基礎做出了許多貢獻。 2001年,他擔任APS三月會議的統計和非線性物理項目主席。2003年,他獲得了NSF ITR獎。2008年,他獲得了美國物理學會頒發的傑出裁判獎。2016年,他是國防部在全國範圍內選出的15名Vannevar Bush教職員獎學金(原名為NSSEFF--國家安全科學與工程學院獎學金)之一。2018年2月,他當選為愛丁堡皇家學會(蘇格蘭國家科學院和外國學院的外國成員)的相應研究員。

賴英成先生髮表了500多篇論文,其中約有470篇在評審期刊上發表。他執導了20個博士學位。和20篇碩士論文,並支持14名博士後研究員。他在世界各地舉辦了約 260場邀請講座和座談會。他的論文被引用超過21,000次。他目前以Google-Scholar為基礎的H指數為70,而i10指數為345。

賴英成於2014年至2017年擔任物理評論E編輯委員會成員。他目前是皇家學會A哲學交易編輯委員會成員,並且是科學報告和國際分岔與混沌雜誌的副主編 。從2010年至2014年,他是Europhysics Letters的聯合編輯。

研究方向

賴英成目前的研究興趣是非線性動力學,複雜網絡,量子輸運,石墨烯物理,生物物理和信號處理。

小組成員

Zigang Huang博士,助理研究科學家

蘇日琪先生,博士 學生

雷穎先生,博士 學生

陳玉忠先生,博士 學生

王光磊先生,博士 學生

徐洪亞先生,博士 學生

王樂之女士,博士 學生

江俊傑先生,訪問學生

John McCann先生,博士 學生

研究亮點

(2012)從時間序列中檢測複雜網絡中的隱藏節點

我們開發了一種檢測複雜網絡中隱藏節點的通用方法,僅使用外部觀察可訪問的節點的時間序列。我們的方法基於壓縮感知,我們制定了一個包含連續和離散時間以及進化遊戲類型的動力系統的通用框架。為了具體演示,我們提供了一個從實驗社交網絡中檢測隱藏節點的示例。我們用於檢測隱藏節點的範例有望在各種領域中找到應用,其中基於有限數量的數據識別隱藏或黑盒子對象是感興趣的

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(2012)混沌對相對論量子隧穿的影響

我們在共振隧穿的設置中在兩個空間維度上解決了狄拉克方程,其中該系統由通過有限勢壘連接的兩個對稱腔組成。可以選擇空腔的形狀以在經典極限中產生規則和混沌動力學。我們發現可以存在關於經典周期軌道的某些指針狀態,其抑制量子隧道效應,並且隨着腔中潛在的經典動力學混亂,效果變得不那麼嚴重,導致即使在相對論量子狀態中隧穿動力學的正規化。在石墨烯中觀察到類似的現象。基於描述有效開放腔系統的非厄米特哈密頓量的複雜能量譜,開發了一種物理理論來解釋這種現象。

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(2012)控制複雜網絡:需要多少能源?

控制複雜網絡的突出問題與許多科學和工程領域相關,並且也有可能產生技術突破。我們通過推導和驗證低能量邊界和高能量邊界的比例定律來解決實現控制所需能量的物理重要問題。這些界限代表了與控制相關的能源成本的合理估計,並從目前的可控性研究向複雜網絡動力系統的最終控制方向邁出了一步。

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(2004)一個值得記住的技巧:具有無差錯檢索的振蕩聯想記憶網絡的容量

已經提出耦合周期振蕩器網絡(類似於Kuramoto模型)作為關聯存儲器的模型。然而,這種振蕩網絡的無差錯檢索狀態通常是“不穩定的”,導致接近零容量。與傳統的Hopfield網絡相比,這使網絡處於不利地位。我們最近提出了一種針對這種不良特性的簡單補救方法,並嚴格證明我們的振蕩關聯存儲網絡的無差錯容量可以與Hopfield網絡一樣高。因此,它們不僅可以提供對生物記憶起源的見解,而且還可以用於信息科學和工程中的應用。

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(2004)隨機動力系統中奇怪的非混沌吸引子

奇怪的非混沌吸引子(SNA)是否通常發生在除了准周期驅動系統之外的動力系統中一直是一個懸而未決的問題。我們最近基於物理分析和數值證據表明,在自主離散時間圖和周期性驅動的連續時間系統中,可以通過小噪聲誘導穩健的SNA。因此,可以預期這些與物理和生物應用相關的吸引子在動力系統中比以前認為的更常見。

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(2003)物理空間中超級混沌的瞬態

超持續混沌瞬態的特徵在於其壽命的指數式縮放定律,其中指數相關性中的指數隨着參數接近臨界值而發散。到目前為止,這種瞬態混沌僅在動力系統的相空間中得到了說明。在這裡,我們報告了物理空間中噪聲引起的超持續瞬態現象,並基於一類隨機微分方程的解來解釋相關的比例定律。我們研究的背景是開放混沌流中慣性粒子的對流動力學。

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Lyapunov指數無法預測癲癇發作

來自非線性動力學的概念,例如Lyapunov指數和分形維數,已越來越多地應用於用於檢測,預測或控制疾病的重要生物醫學時間序列。在癲癇領域,已經投入大量精力來監測Lyapunov指數用於早期癲癇發作預測的進展,聲稱癲癇發作可以在其臨床發作之前幾分鐘甚至幾十分鐘預測。我們的核心問題是,在現有文獻中,沒有對非平穩時間序列(如ECoG)中Lyapunov指數的預測能力進行系統分析。如果沒有這樣的分析,任何預測聲明都可能會產生誤導。我們最近研究了從時間序列計算的Lyapunov指數的預測能力。我們的分析和計算表明,有兩個主要因素可以阻止指數成為預測特徵系統變化的有效工具:統計波動和噪聲。基本信息是,對於低維,確定性混沌系統,Lyapunov指數的預測能力僅在無噪聲或極低噪聲情況下保持。實際上,在存在明顯但合理的噪聲量的情況下,特別是在像大腦那樣高維度和噪聲的系統中,Lyapunov指數或來自非線性動力學的相關量不可能用於預測甚至是檢測癲癇發作。我們認為,根據Lyapunov指數對癲癇發作預測文獻的重複主張,這一點是要記住的重點。

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(2003)振蕩器網絡的異質性:較小的世界是否更容易同步?

已知小世界網絡比常規格子更容易同步,這通常歸因於振蕩器之間的較小網絡距離。令人驚訝的是,我們表明,即使平均網絡距離較大,具有均勻連接分布的網絡也比異構網絡(例如,無標度網絡)更具同步性。然後在自然演化的結構中預期某種程度的同質性,例如神經網絡,其中需要同步性。

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(2003)基於級聯的複雜網絡攻擊

我們生活在一個由大型複雜網絡支持的現代世界中。例子包括金融市場,通訊和運輸系統。在許多實際情況中,網絡中物理量的流動(以節點上的負載為特徵)很重要。我們表明,對於負載可以在節點之間重新分配的網絡,故意攻擊可能導致一連串的過載故障,這反過來又會導致網絡的整個或大部分崩潰。這與具有高度異構的分布的現實網絡相關,例如互聯網和電網。我們證明這些網絡的異構性使它們特別容易受到攻擊,因為大規模級聯可以通過禁用a來觸發單個關鍵節點。這引起了對這種系統安全性的明顯擔憂。

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(2002)可以可靠地計算或測量混沌系統的統計平均值嗎?

計算或測量統計平均值是科學和工程中的常見做法。一個基本問題涉及這種計算或測量的可靠性。對於物理學和生物學等定量科學而言至關重要的問題,當被調查的系統表現出混亂時尤為重要,其特點是對初始條件的敏感依賴。對於混沌系統,數值軌跡並不總是可以被真實軌跡遮蔽。然而,對於統計平均值,自然地假設它們可以被可靠地計算或測量,因為計算誤差或噪聲的影響將由於遍歷性而被平均。這種直覺總是如此嗎? 我們最近表明,在混沌動力學中存在常見情況,其中物理量的統計平均值取決於計算誤差或噪聲的水平。我們已經推導出一種通用的縮放定律來控制這種噪聲依賴性,並用混沌電子電路獲得實驗證據。暗示可能非常有趣。例如,在計算科學中,如果使用不同的精度或不同的計算機,則統計平均值的計算值可能不同。在實驗室實驗中,在非同一情況下進行的測量可能會產生不同的結果。

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(2002)語言概念網絡的拓撲

任何語言都由數千個以明顯相當複雜的方式鏈接在一起的單詞組成。因此,語言可以被視為網絡,在以下意義上:(1)單詞對應於網絡的節點,以及(2)如果兩個單詞表達相似的概念,則存在鏈接。顯然,語言的底層網絡必然是稀疏的,因為每個節點的平均鏈路數通常遠小於節點的總數。識別和理解語言的通用網絡拓撲非常重要,不僅對於語言本身的研究,而且對於認知科學而言,其中最基本的問題之一涉及與網絡拓撲密切相關的聯想記憶。

構成語言的數千個單詞之間的聯繫網絡不僅對語言的結構和進化的研究很重要,而且對於認知科學也很重要。我們通過繪製英語語言的概念網絡來定量研究這個問題,連接由同義詞詞典中的條目定義。我們發現這個網絡呈現出一個小世界的結構,具有驚人的小平均最短路徑,並且似乎表現出具有代數連通性分布的漸近無標度特徵。

從在關聯存儲器中檢索信息的角度來看,網絡的小世界屬性代表效率的最大化:一方面,由於高聚類,類似的信息被存儲在一起,這使得通過關聯進行搜索可能; 另一方面,即使是非常不同的信息也永遠不會被多個鏈接或關聯分開,這保證了快速搜索。因此,我們推測聯想記憶的產生部分是因為自然選擇的檢索效率最大化。這個問題可能與神經網絡可能是一個小世界網絡的事實有關,這可能是大腦能夠擁有聯想記憶所需的概念網絡所必需的。

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(2002)噪聲引起的非線性流動在化學反應的增強

噪聲和非線性動力學之間的相互作用長期以來一直是統計物理學中極為關注的話題。雖然噪聲在許多情況下可能是有害的,但通過例如隨機和相干共振的機制也可能是有益的。最近,出現了一個新的跨學科科學領域:非線性流動的積極過程。這些過程可以是化學的或生物的,並且被認為與各種領域中的大量重要問題有關。我們的工作重點是噪聲在主動非線性過程中的作用。特別是,由於城市大氣中臭氧產生的問題,我們研究了噪聲如何影響混沌流動支持的一般類型的化學反應。要儘可能真實,我們考慮重要的物理效應,如粒子慣性和有限大小。我們的發現是噪聲可以以類似於隨機共振的方式提高化學反應速率。我們提供數值結果和物理理論,表明在基本水平上,共振行為是由於噪聲和粒子的非線性(拉格朗日)動力學之間的相互作用。

(2002/2003)在隨機動力系統中向混沌過渡

噪聲引起的混沌問題是理解隨機性和非線性之間相互作用的基礎,這對於各種領域都很重要。我們考慮在連續時間動力系統中,非混沌吸引子與非吸引力的混沌鞍共存的情況,如在周期性窗口中。在噪音的影響下,可能會出現混亂。我們研究了負責轉換的基本動力學機制,並獲得了最大Lyapunov指數的一般比例定律。一個引人注目的發現是,在噪聲混沌開始後,流動的拓撲結構基本上受到干擾,並且我們指出這種干擾是由於在噪聲影響下沿着連續軌跡的不穩定的本徵的數量的變化。

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(2002)量子點中的隧穿和非雙曲性

半導體納米結構中的電子傳輸是凝聚態物理和非線性科學中的前沿問題。在亞微米尺度上,量子干涉產生電導波動和Aharonov-Bohm效應的現象。我們最近報道了我們關於動態隧道效應在實際量子點的電導波動中所起的基本作用的發現 。我們提出強有力的證據表明,通過規則的相空間結構(例如Kolmogorov-Arnold-Moser(KAM)島)的動態隧穿從根本上決定了典型量子點中電導波動的特徵。基於隧道機制的理論分析給出了 定量分析預測(波動的平均頻率)與實驗測量結果非常吻合。據我們所知,這是第一次以量化方式解釋量子點中實驗可觀察到的電導波動的主要特徵,表明動態隧道效應在半導體納米結構中電子傳輸動力學中的根本重要性。

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(2002)追蹤癲癇發作

生物醫學科學中一個突出的問題是設計技術來理解,更重要的是,在臨床發病之前預測癲癇發作,這些癲癇發作會影響工業化國家人口的1美元左右。癲癇發作的特徵在於通過功率譜密度的突然同時變化和波節律性的增加來電子學表徵。大腦活動的這些變化,無論是局部的還是全球的,都可以通過頭皮上的電極(EEG)或顱內(ECoG)進行監測。這些記錄提供了一個窗口,也許是目前唯一可實現的窗口,通過它可以調查癲癇的動態。因此,對EEG/ECoG的分析成為該領域重新受到關注的主題。。

我們關注癲癇患者皮層腦電圖(ECoG)的相關積分分析中的異常縮放區域。我們發現癲癇發作通常伴隨着該縮放區域的斜率的大幅波動。基於分析自相關和之間的相互作用的解釋是針對這些波動而提供的。這種異常斜率似乎是跟蹤(但不預測)癲癇發作的敏感指標。我們的研究表明,潛在的動態過程包含一個重要的隨機成分。儘管癲癇發作的特徵在於異常斜率值的波動,但波動對應於自相關的波動,這是一種計算效率更高的癲癇發作追蹤量度。從而,值得懷疑的是,任何基於相關積分的技術在預測癲癇發作方面是否比傳統的信號處理方法更有效。這顯然與最近聲稱這種技術對預測癲癇發作有效的說法形成鮮明對比。

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科研成果

哈密頓系統,量子混沌和石墨烯

混沌散射的量子表現 [15]

危機混沌散射 [16]

高維混沌散射的拓撲 [17]

更多相關內容 [18]

微米級和納米級系統中的控制、同步和混沌

混沌控制在高維 [19]

可以無序非埃爾米特哈密頓系統產生的光子的熱化差距 [20]

相對論量子混沌 [21]

更多相關內容 [22]

非線性光學,損傷力學

混沌轉換和低頻率波動在半導體激光器與光反饋 [23]

在耦合外腔半導體激光器調幅 [24]

光機械系統中同步轉換的量子表現 [25]

更多相關內容 [26]

瞬間混亂

在危機臨界指數填補空白 [27]

混亂旋轉中的間歇性 [28]

瞬間混亂在光學超材料 [29]

更多相關內容 [30]

高維動力和流體系統

通往高維混沌的途徑 [31]

在非光滑動力系統過渡到高維混沌 [32]

更多相關內容 [33]

計算生物學、生物物理學和博弈論

在耦合心臟起搏細胞動力學性質 [34]

分散物質共存動力機制 [35]

更多相關內容 [36]

准周期系統和奇怪的非混沌吸引子

從奇怪非混沌過渡到陌生的混沌吸引子 [37]

噪音引起的奇怪非混沌吸引子“表徵” [38]

更多相關內容 [39]

數據分析和信號處理

從混沌時間序列符號動力學的越線分析的有效性 [40]

在混沌時間序列分析的最新發展 [41]

更多相關內容 [42]

不穩定的周期軌道

在混沌吸引子不穩定周期軌道的自然度量的表徵 [43]

走向混沌系統不穩定周期軌道的完整檢測 [44]

更多相關內容 [45]

複雜性,信息和溝通

複雜漢密爾頓主義驅動的耗散動力系統 [46]

可靠的信息基礎設施作為複雜自適應系統 [47]

更多相關內容 [48]

陰影

確定性混沌系統的建模 [49]

通用和不確定尺寸變化非雙曲混沌系統的陰影動態非普適性縮放 [50]

更多相關內容 [51]

相干共振、隨機共振、隨機動力系統

在耦合混沌系統“相干共振”[52]

隨機共振表徵 [53]

幹線噪聲引起同步在非耦合混沌系統的集合 [54]

更多相關內容 [55]

實驗混亂

耦合混沌振子中滯後同步的可觀測性 [56]

廣義時間滯後混沌同步的實驗觀察 [57]

更多相關內容 [58]

複雜網絡

複雜網絡上基於級聯的攻擊 [59]

干擾在複雜的漸變網 [60]

選擇性為基礎的傳播網絡的動態 [61]

更多相關內容; [62]

所有出版物鏈接

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教授課程

1. PHSX 212(本科)普通物理II(電力與磁學)

堪薩斯大學,1994年秋季,1995年秋季和1996年秋季

2. PHSX 721(研究生)混沌動力學 - 耗散系統和分形幾何

堪薩斯大學,1995年春季,1997年春季,1999年春季

3. MATH 796(研究生)高級混沌動力學 - 哈密頓系統和量子混沌

堪薩斯大學,1996年春季

4. PHSX 671(高年級本科生和初級畢業生) 熱學和統計物理學

堪薩斯大學,1997年秋季

5. PHSX 718(研究生)數學物理

堪薩斯大學,1998年秋季

6. MATH 321(本科榮譽)微分方程

堪薩斯大學,1997年春季,1998年春季

7. MATH 320(本科)介紹微分方程

堪薩斯大學,1999年春季

8. MAT 342 :(本科)線性代數

亞利桑那州立大學,1999年秋季

9. EEE 350 :(本科)隨機信號處理

亞利桑那州立大學,2000年春季

10. MAT 271(本科)微積分II

亞利桑那州立大學,2000年秋季

11. EEE 303 :(本科)信號和系統

亞利桑那州立大學,2001年春季,2004年春季

12. EEE 340 :(本科)電磁工程I [64]

亞利桑那州立大學,2002年春季

13. MAT 274 :(本科)初等微分方程 [65]

亞利桑那州立大學,2002年秋季

14. EEE598 / MAT598 :(高級研究生)工程師的非線性動力學 [66]

亞利桑那州立大學,2003年春季,2004年秋季

15. EEE554 :(研究生)隨機信號理論

亞利桑那州立大學,2003年秋季

16. EEE302(本科)電路II

亞利桑那州立大學,2005年春季

17. ECE334(本科):微電子電路 [67]

亞利桑那州立大學,2005年秋季

18. EEE436(本科),EEE591(研究生): 半導體器件基礎

亞利桑那州立大學,2006年秋季,2007年秋季

19. EEE352(本科):電子材料的屬性 [68]

亞利桑那州立大學,2007年春季

20. EEE535(研究生):納米結構中的電子傳輸

亞利桑那州立大學,2008年春季,2010年春季,2011年春季

聯繫方式

Ying-Cheng Lai 亞利桑那州立大學電氣,計算機與能源工程學院,亞利桑那州 坦佩市85287-5706

電話:(480)965-6668

傳真:(480)965-8325

電子郵件:Ying-Cheng.Lai@asu.edu

相關鏈接

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