• 〇本课题组聚焦低维量子材料的前沿科学问题与器件应用研究，主要研究方向包括：1）低维量子材料的对称性破缺调控与物性研究；2）莫尔超晶格扭角电子学与界面效应；3）二维材料自旋电子学与谷电子学及其器件应用。我们通过发展应变工程、层数精确控制、外场(电/磁/光场)调控、电荷掺杂等多参量协同调控手段，系统研究低维量子材料及其异质界面的新奇物理效应，重点揭示对称性破缺对材料电子结构、光学特性、磁学性质及拓扑量子态的调控规律。基于上述基础研究，我们致力于开发高性能量子功能器件，构建从材料设计、器件制备到性能测试的完整技术体系。通过多学科交叉融合，我们在新型量子信息处理器件、高密度数据存储器件、量子医学检测器件以及量子计算核心器件等方向开展创新研究，旨在推动量子科技的实质性突破，服务国家重大战略需求。本研究具有重要的科学价值和应用前景，具体研究方向如下：
（一）莫尔超晶格扭角电子学与光电器件
• 1. 引言
• 〇随着二维范德华异质结材料的发展，扭转角(Twist Angle)调控成为调控材料电子和光学性质的重要手段。在两个或多个二维材料堆叠并存在一定角度错位时，会形成周期性莫尔超晶格(Moiré Superlattice)，引发一系列新奇的量子物理现象，如平带(Flat Band)效应、强关联电子态、拓扑绝缘态等。这一领域，即莫尔超晶格扭角电子学(Twistronics)，为新型光电器件的设计提供了丰富的物理基础。
2. 莫尔超晶格的电子学特性
2.1 平带效应与强关联电子态
• 〇当扭转角达到“魔角”(Magic Angle)，如在双层石墨烯中约为 1.1° 时，能带变平，电子动能极小，库仑相互作用主导，导致超导、莫特绝缘态等现象。类似的平带效应在扭角TMDs(如MoSe2/WSe2)中也被观察到，表现出强关联自旋极化态和激子调控特性。
2.2 电子-晶格耦合与新颖拓扑态
〇在扭转角度合适的TMDs异质结(如MoSe2/WSe2)中，莫尔势导致激子局域化，并产生拓扑极化子(Topological Polaron)。
〇在扭转双层TMDs中，存在谷极化调控，结合自旋轨道耦合，可诱导量子自旋霍尔效应(Quantum Spin Hall Effect)。
〇在扭转双层石墨烯-六方氮化硼(hBN)体系中，破坏C2对称性可实现电场可调拓扑绝缘体态。
3. 莫尔超晶格的光学与光电特性
3.1 莫尔激子(Moiré Excitons)
〇在扭转TMDs异质结中，范德华势场形成周期性莫尔势谷，导致激子束缚态的出现，表现为窄带光吸收和发光特性。
〇莫尔激子可被外场(如电场、应变或光场)调控，实现可调谐光源和单光子发射器件。
3.2 光学选通与非线性光学响应
〇通过扭转角度调控，可实现偏振敏感光响应，如光学选择定则改变、双折射增强等。
〇莫尔超晶格中的谐波响应(如二次谐波和三次谐波)可被拓扑对称性破缺增强，为非线性光学器件提供新平台。
3.3 超快光学与量子光子学应用
〇由于莫尔超晶格中的电子态和激子态可被光调控，扭转TMDs在超快光学调制(如皮秒量级光电探测)中表现出优异性能。
〇结合光腔共振，可增强光-物质相互作用，实现极化激元(Polaritons)调控，推动量子光子学应用。
4. 典型光电器件及其应用
| 器件类型 | 关键特性 | 可能应用 |
|---|---|---|
| •莫尔超晶格光探测器 | •选择性光吸收、可调谐响应 | •高灵敏度红外探测、宽带光电探测器 |
| •低功耗场效应晶体管（FET） | •平带效应增强电子-电子相互作用 | •超低功耗逻辑电路、存储器 |
| •单光子发射器 | •莫尔局域化激子 | •量子光源、光量子计算 |
| •非线性光学器件 | •高次谐波增强 | •超快光学调制、光通信 |
| •拓扑光电器件 | •自旋霍尔光响应 | •拓扑光子芯片、量子光学信息处理 |
5. 未来挑战与展望
尽管莫尔超晶格扭角电子学已展现出巨大潜力，但仍面临以下挑战：
〇(1).精确扭转角控制：目前的实验技术仍存在角度误差，影响器件一致性。
〇(2).大规模集成：如何在硅基平台上集成莫尔超晶格材料，实现可扩展光电应用。
〇(3).外场调控手段：探索更高效的电场、光场或应变调控方法，提高器件可调性。
〇(4).室温量子效应：目前多数量子关联现象出现在低温环境，如何提升至室温仍是关键挑战。
• 〇未来，随着高精度材料制备、先进计算方法以及新型测量技术的发展，扭角电子学与光电器件将在低功耗电子学、量子计算、光通信等领域发挥重要作用。
（二）二维层状材料中的对称性破缺工程
1. 引言
• 〇二维层状材料(2D materials)因其独特的层状结构和可调控的物理性质，在纳米电子学、光学和量子器件等领域具有广泛应用。对称性破缺(Symmetry Breaking)是调控二维材料性质的重要手段之一，它能够显著影响电子、光学、磁性和拓扑特性，从而实现新颖的物理效应和功能器件。
2. 对称性破缺的类型及实现方法
2.1 结构对称性破缺
〇应变工程(Strain Engineering)：通过施加单轴或双轴应变，可以破坏晶格对称性，调控能带结构。例如，在MoS2等过渡金属二硫族化合物(TMDs)中，引入应变可改变能隙类型(直接/间接跃迁)并影响谷极化特性。
〇层数控制(Layer Number Control)：单层与多层二维材料在对称性上存在差异，如单层MoS2具有反演对称性破缺，而双层及以上则恢复部分对称性，导致光学与电子结构的变化。
2.2 电子对称性破缺
〇外部电场调控(Electric Field Tuning)：对于双层石墨烯、TMDs等材料，施加垂直电场可以破坏层间对称性，诱导能带开隙或拓扑相变。
〇电荷转移与掺杂(Charge Transfer & Doping)：通过化学掺杂或电荷注入改变费米能级，影响材料的电子态对称性，进而实现新颖的物理特性，如超导、金属-绝缘体转变等。
2.3 磁性与自旋对称性破缺
〇磁性诱导(Magnetic Induction)：在非磁性二维材料(如石墨烯、MoS₂)中引入磁性掺杂(如Fe, Cr, V)，可以破坏时间反演对称性，产生自旋极化或拓扑磁性态。
〇自旋轨道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC)：重元素掺杂或层间耦合可以增强SOC效应，导致自旋分裂、谷极化以及量子反常霍尔效应。
2.4 其他对称性破缺手段
〇扭转角调控(Twist Engineering)：在扭转双层二维材料(如摩尔超晶格中的MoSe2/WSe2)中，扭转角度会改变对称性，使电子-电子相互作用、平带效应和超导态显现。
〇光学调控(Optical Control)：通过圆偏振光或高强度激光场，能够诱导手性对称性破缺，实现光学选通、光生磁效应等新功能。
3. 典型应用
3.1 拓扑电子态调控
• 〇通过对称性破缺可以诱导拓扑绝缘体态、自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等，为低功耗电子器件提供可能性。
3.2 低维自旋电子学
• 〇利用磁性和SOC调控自旋极化，实现自旋阀、自旋存储等器件，提高自旋电子学材料的应用价值。
3.3 可调谐光电器件
• 〇通过外场调控或应变工程优化光学非线性效应，实现高性能光探测器、可调谐激光器等。
4. 未来挑战与展望
• 〇尽管二维材料中的对称性破缺工程已取得显著进展，但仍然面临材料制备的均匀性、外场调控的精准性、以及器件集成的可扩展性等挑战。未来，结合新型计算方法、多场协同调控策略，以及高精度实验表征手段，有望推动二维材料在量子信息、能源转换和柔性电子等领域的进一步发展。
（三）二维材料自旋电子学及其应用
• 1. 引言
• 〇自旋电子学(Spintronics)利用电子的自旋自由度来操控信息，是下一代低功耗、高速信息处理技术的核心。传统自旋电子器件依赖磁性材料，而二维材料(2D Materials)因其低维度、强自旋轨道耦合(SOC)、长自旋寿命等优异特性，成为自旋电子学研究的前沿方向。
2. 二维材料自旋电子学的核心物理机制
2.1 自旋轨道耦合(SOC）
〇在过渡金属硫族化合物(TMDs，如MoS2、WSe2)中，强SOC导致自旋-谷耦合(Spin-Valley Coupling)，可用于谷自旋电子学。
〇拓扑绝缘体(如Bi2Se3、Bi2Te3)：表现出自旋-动量锁定，可应用于无耗散自旋传输。
2.2 自旋输运与自旋寿命
〇石墨烯(Graphene)：具有超长的自旋弛豫时间，可作为高效自旋传输通道。
〇黑磷(BP)：的各向异性自旋输运提供了方向可控的自旋流操控能力。
2.3 近藤效应与自旋-电荷耦合
〇通过在二维材料上掺杂磁性原子，可诱导近藤效应，实现可调自旋态。
〇电子-声子、自旋-电荷耦合作用可调控自旋弛豫，优化自旋存储性能。
3. 二维材料自旋电子学的关键器件
3.1 自旋场效应晶体管(Spin-FET)
〇通过电场调控二维材料的自旋极化，实现低功耗逻辑器件。
〇典型结构：石墨烯-磁性接触界面，利用Rashba自旋轨道耦合实现自旋操控。
3.2 自旋阀器件(Spin Valve)
〇基于磁性二维材料(如CrI3, Fe3GeTe2)的自旋阀可用于高密度存储。
〇通过垂直隧道结(MTJ)结构，实现高效自旋过滤。
3.3 拓扑量子计算器件
〇拓扑超导态(如Bi2Se3/FeTe heterostructure)可支持马约拉纳费米子，实现容错量子计算。
〇结合扭转角调控，构建可编程拓扑量子器件。
3.4 自旋光电子器件
〇在MoSe2/WSe2等TMDs异质结中，自旋极化光发射可用于量子光通信。
〇自旋霍尔光子学结合非线性光学，实现超快光子调控。
4. 未来挑战与展望
| 研究挑战 | 可能解决方案 |
|---|---|
| •室温自旋保持 | •发展高SOC二维材料，如WSe₂、PtSe₂，提高自旋保持时间。 |
| •高效自旋注入 | •通过磁性异质结(如CrI₃/石墨烯)提高自旋极化率。 |
| •可扩展集成 | •结合CMOS技术，探索二维材料与传统半导体工艺兼容性。 |
| •低功耗自旋操控 | •发展光控自旋或电场调控自旋轨道耦合的方法。 |
• 〇未来，二维材料自旋电子学将在低功耗逻辑、非易失存储、自旋量子计算、光子自旋操控等方向发挥核心作用，为新一代信息技术提供基础支撑。
（四）二维材料谷电子学及其应用
• 1. 引言
• 〇谷电子学(Valleytronics)是一种利用电子谷自由度(Valley Degree of Freedom, VDOF)来存储、操控和传输信息的新兴电子学领域。不同于传统电子学依赖电荷，自旋电子学依赖自旋，谷电子学利用能带结构中的能谷(Valleys)来实现信息处理。二维材料(2D Materials)，尤其是过渡金属硫族化合物(TMDs，如MoS2, WS2, WSe2)，由于其带隙直接跃迁、强自旋-谷耦合、外场可调控性等特性，成为谷电子学研究的理想材料。
2. 二维材料中的谷自由度与物理机制
2.1 谷自由度与谷极化(Valley Polarization)
〇二维TMDs在K和K'两个不等价能谷具有不同的光学选择定则，可通过圆偏振光激发特定的能谷态，实现谷极化。
〇由于强自旋-轨道耦合(SOC)，K和K'谷的自旋方向相反，为谷选择性操控提供了物理基础。
2.2 谷输运与谷霍尔效应(VHE)
〇由于Berry曲率在K和K'谷的反对称性，电子在外加电场下会产生谷依赖的横向运动，即谷霍尔效应(Valley Hall Effect)。
〇谷霍尔效应可实现无能耗的信息处理，被认为是未来低功耗电子器件的重要方向。
2.3 外场调控谷自由度
〇光场调控：利用圆偏振光激发特定谷态，实现光控谷极化。
〇电场调控：通过栅极调控谷极化能隙，实现谷存储和逻辑运算。
〇磁场调控：外加磁场可诱导Zeeman劈裂，使K/K'谷能级发生偏移，实现谷存储与读取。
3. 二维谷电子器件与应用
3.1 谷电子存储器(Valley Memory)
〇通过光或电场激发特定谷态存储信息，利用谷极化作为信息单元。
〇典型结构：MoS2基谷存储器，利用圆偏振光控制谷态，结合栅极电场读取信息。
3.2 谷电子逻辑器件(Valley Logic Devices)
〇设计基于谷极化的逻辑门(AND、OR、XOR)，实现低功耗计算。
〇结合拓扑材料(如MoTe2, WTe2), 构建拓扑保护的谷电子逻辑器件。
3.3 谷光电子器件(Valley Optoelectronics)
〇谷极化LED(Valley-Polarized LED)：利用谷选择性发光，实现偏振可调的光源。
〇谷探测器(Valley Detector)：基于谷霍尔效应检测不同谷态的电子流，实现信息存储和传感。
〇谷偏振单光子源：在量子信息技术中应用，如基于WSe2的单光子发射器。
3.4 量子计算与拓扑量子器件
〇结合拓扑绝缘体(如WTe2)，利用谷自由度构建拓扑量子比特。
〇研究基于谷自由度的马约拉纳费米子，实现容错量子计算。
4. 未来挑战与展望
| 研究挑战 | 可能解决方案 |
|---|---|
| •谷极化寿命较短 | •发展高品质二维材料（如MoSe2/WSe2异质结），降低缺陷散射。 |
| •可扩展谷存储器件 | •研究垂直堆叠异质结，结合CMOS技术，提高器件集成度。 |
| •高效谷操控技术 | •发展电场/磁场耦合调控，结合光学微腔增强效应，提高谷操控效率。 |
| •室温谷电子器件 | •研究室温下稳定的谷自由度材料，如强SOC材料MoTe2、PtSe2等。 |
• 〇未来，谷电子学有望在低功耗信息存储、量子计算、可调光电子器件等领域发挥重要作用，为下一代信息技术提供新思路。
（五）新型功能材料设计、制备及其应用
• 1. 引言
• 〇新型功能材料(Advanced Functional Materials)是指具备特殊物理、化学或生物特性的材料，广泛应用于能源、电子、环境、医疗、国防等前沿领域。近年来，随着材料科学、纳米技术和人工智能的发展，功能材料的精准设计、智能制备及高效应用成为研究热点。
2. 新型功能材料的主要类型及特性
2.1 电子与光电子功能材料
〇二维材料(2D Materials)：如石墨烯、MoS2、黑磷，具有高电子迁移率、宽带隙可调性，应用于柔性电子、光电探测、量子计算等。
〇拓扑材料(Topological Materials)：如拓扑绝缘体(TI)、拓扑超导体，适用于低功耗电子学、量子计算。
〇半导体材料(Semiconductors)：GaN、InP、碲化铋等高性能半导体在光伏、激光、LED中发挥重要作用。
2.2 能源与储能材料
〇高效催化材料：如过渡金属硫化物(TMDs)、单原子催化剂(SACs)，用于电解水、CO2还原、燃料电池。
〇锂/钠/固态电池材料：如硅基负极、硫化物固态电解质，提高电池能量密度与安全性。
〇钙钛矿光伏材料：高光电转换效率、可印刷制造，被视为下一代太阳能电池材料。
2.3 结构与智能响应材料
〇超材料(Metamaterials)：人工设计材料，具备负折射率、隐身功能等，应用于光学计算、隐身技术、超分辨成像。
〇自修复材料(Self-healing Materials)：受生物启发，能在损伤后自动修复，提高材料寿命，适用于航空航天、生物医疗。
〇形状记忆合金/聚合物(SMA/SMP)：如NiTi合金，受热可恢复形状，应用于医疗植入物、智能传感。
2.4 生物医用材料
〇纳米药物载体：如金纳米颗粒、聚合物微球，可实现精准药物输送、靶向治疗。
〇生物相容性材料：如羟基磷灰石、可降解高分子，用于骨修复、植入式医疗器械。
〇仿生材料：如人工肌肉、水凝胶，可用于仿生机器人、人工神经网络。
3. 新型功能材料的设计与制备方法
3.1 理论计算与材料设计
〇第一性原理计算(DFT)：通过量子力学计算预测材料的电子结构、能带和稳定性。
〇机器学习与材料基因工程：结合大数据筛选高性能材料，提高材料开发效率。
3.2 先进制备技术
〇化学气相沉积(CVD)：用于制备高质量二维材料、半导体薄膜。
〇分子自组装(Self-assembly)：用于合成仿生材料和纳米结构材料。
〇增材制造(3D打印)：用于制备复杂结构材料，如柔性电子、生物材料。
4. 新型功能材料的应用前景
4.1 电子与光电子器件
〇柔性可穿戴设备：基于二维材料和柔性电子，实现高灵敏度传感器。
〇下一代存储器：忆阻器(Memristor)、相变存储(PCM)，用于高密度存储芯片。
〇自供能传感器：结合压电材料与光伏器件，实现无电池传感系统。
4.2 能源与环境
〇高效光催化材料：用于太阳能分解水、降解污染物，实现绿色能源转化。
〇新型储能电池：全固态电池、高能量密度超级电容器，用于电动汽车、智能电网。
4.3 医疗健康
〇智能可穿戴设备：柔性电子皮肤、纳米传感器可实时监测生理数据。
〇个性化医疗：3D打印生物材料可定制植入物，提高治疗效果。
5. 未来挑战与展望
| 挑战 | 可能解决方案 |
|---|---|
| •材料稳定性与可重复性 | •发展稳定的合成方法，提高材料均匀性。 |
| •低成本大规模制备 | •研究可扩展的制造技术，如喷涂法、印刷法。 |
| •环境友好性 | •设计可回收、可降解的新型绿色材料。 |
• 〇新型功能材料正推动电子技术、能源转换、智能医疗的革新，未来将在多学科交叉融合中发挥更大作用！
（六）手性药物分子刷选、人工仿生神经突触器件(学科前沿交叉方向）
• 1. 手性药物分子筛选
1.1 背景与重要性
• 〇手性(Chirality)在药物分子中至关重要，因为不同对映体(Enantiomers)可能具有完全不同的生物活性。例如：
〇一些药物的左旋(S-)对映体可能具有治疗作用，而右旋(R-)对映体可能无效甚至有毒(如沙利度胺事件)。
〇传统的合成药物往往是外消旋混合物，因此需要高效的手性筛选与拆分技术来提高药效并减少副作用。
1.2 手性药物的筛选技术
(1) 色谱分离法
〇手性色谱(Chiral Chromatography)：采用手性固定相，如环糊精、手性多肽等，实现对映体的选择性分离。
〇超临界流体色谱(SFC)：利用超临界CO2进行高效手性拆分。
(2) 分子识别与手性传感
〇手性荧光探针：基于手性金属有机框架(Chiral MOFs)或手性纳米材料，提高分子选择性。
〇表面增强拉曼散射(SERS)：结合手性金属纳米结构，增强对映体识别能力。
(3) 仿生筛选技术
〇酶催化拆分：利用手性酶选择性催化一种对映体，提高拆分效率。
〇仿生手性膜：基于生物膜或人工纳米膜模拟天然生物环境，提高手性识别精度。
1.3 应用前景
〇制药工业：提高手性药物纯度，减少副作用，提高生物利用度。
〇精准医疗：结合AI与高通量筛选技术，定制个性化药物。
〇绿色化学：发展高效、低能耗的手性分离方法，减少化学污染。
2. 人工仿生神经突触器件
2.1 背景与概述
• 〇人工神经突触器件(Artificial Synapse Devices)是模仿生物神经突触行为的电子器件，能够实现突触权重调节、短时/长时可塑性等神经计算特性。这些器件可用于类脑计算、人工智能、脑机接口等领域。
2.2 关键研究方向
(1) 突触可塑性与人工突触的物理机制
〇短时突触可塑性(STP)：模拟短期记忆，涉及电荷存储、离子迁移。
〇长时突触可塑性(LTP)：模拟长期学习，如忆阻器(Memristor)、相变存储(PCM)。
〇突触权重调控：通过电场、光脉冲等方式调节突触强度(如光敏忆阻器)。
(2) 先进材料体系
〇忆阻器材料(Memristor)：如TiO2、HfO2，基于电阻可变特性模拟突触行为。
〇相变材料(PCM)：如Ge2Sb2Te5GST)，可实现长期突触学习。
〇二维材料(2D Materials)：如MoS2, WSe2，适用于柔性人工突触器件。
〇生物仿生聚合物：如P3HT、PEDOT:PSS，具备良好的离子传输能力。
(3) 神经形态计算架构
〇光敏突触器件：结合光响应材料(如钙钛矿、量子点)进行光突触学习。
〇忆阻器阵列：基于忆阻器网络构建大规模类脑计算架构。
〇柔性/可穿戴神经突触器件：用于脑机接口和智能医疗。
2.3 应用前景
〇类脑计算与AI：通过神经形态计算，实现高效、低功耗的智能芯片。
〇脑机接口(BCI)：结合神经传感技术，实现人机交互与康复医疗。
〇自主学习机器人：增强智能机器人对环境的适应能力。
2.4 未来挑战
| 挑战 | 可能解决方案 |
|---|---|
| •降低能耗 | •研发更低功耗的材料与架构，如二维材料、低功耗忆阻器。 |
| •集成与可扩展性 | •开发大规模神经突触阵列，提高计算能力。 |
| •多模态突触响应 | •结合光、电、热等信号，实现更接近生物神经网络的行为。 |
3. 交叉融合与未来展望
• 〇手性药物筛选和人工仿生神经突触虽然属于不同研究方向，但两者在生物仿生、智能计算、材料科学等方面具有交叉点：
〇人工智能+手性药物筛选：利用类脑计算优化手性药物高通量筛选。
〇仿生材料+神经突触器件：借鉴生物分子的手性特性设计高效突触器件。
〇纳米技术+柔性电子：开发新型二维材料，在药物筛选、神经计算中实现突破。
• 〇未来，随着人工智能、生物材料、神经形态计算的深入发展，手性药物筛选与仿生突触器件的结合可能在智能医疗、个性化治疗、脑机接口等领域带来全新的技术变革.