2012CB921300-G-極端條件下量子輸運的研究和調(diào)控

項目名稱：極端條件下量子輸運的研究和調(diào)控首席科學家：牛謙北京大學起止年限：2012.1至2016.8依托部門：教育部中國科學院

一、關鍵科學問題及研究內(nèi)容（一）、擬解決的關鍵科學問題本項目的關鍵科學問題在于：如何突破現(xiàn)有實驗條件在溫度、空間與時間尺度、材料等方面的限制,在更廣泛的條件下實現(xiàn)具有量子相干性的輸運過程,發(fā)現(xiàn)新的量子輸運現(xiàn)象，并發(fā)展相應精密測量技術及量子調(diào)控手段，為下一代的材料、器件、信息技術等提供物理基礎。圖2演示了這個關鍵科學問題的內(nèi)涵。深色的三角區(qū)域表示在現(xiàn)有條件下能夠觀察到量子輸運的參數(shù)范圍。本項目的關鍵科學問題歸根結(jié)底就是要擴張這個三角區(qū)域，在更廣泛的參數(shù)條件下實現(xiàn)量子輸運，以深化我們對已有物理現(xiàn)象的理解，同時發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，尋找新規(guī)律，在此基礎上發(fā)展新概念。示意圖中的三個箭頭表示拓展量子輸運區(qū)域的三個途徑：指向左方的箭頭表示將電子溫度降得更低；指向下方的箭頭表示在更小空間或更短的時間尺度上觀測及控制量子輸運行為；指向右上的箭頭表示尋找具有更優(yōu)量子相干特性的材料?；谝陨戏治?，本項目可以從四個方面協(xié)同解決上述關鍵科學問題：在溫度方面，著重發(fā)展極低溫電子冷卻技術及相關測量手段，并以此為基礎從實驗上確認分數(shù)量子霍爾效應系統(tǒng)中5/2態(tài)的非阿貝爾性質(zhì)，澄清強微波輻射下二維電子氣零電阻效應的物理起源。在空間尺度方面，發(fā)展和完善針對原子層厚度薄膜的各種微加工工藝和材料改性手段。在此基礎上研究人工結(jié)構(gòu)對超導薄膜位相漲落和阻挫的影響，以及石墨烯上各種人工結(jié)構(gòu)對其量子輸運性質(zhì)的影響，實現(xiàn)對這些材料量子輸運性質(zhì)的調(diào)控。在時間尺度方面，著重發(fā)展具有時間分辨的量子輸運測量技術，實現(xiàn)可進行超高時間分辨測量的掃描隧道顯微鏡。以此為基礎研究表面上單個分子/納米結(jié)構(gòu)的各種超快量子輸運過程，理解量子相干時間內(nèi)的輸運過程和動力學行為。在優(yōu)化材料相干特性方面，通過材料結(jié)構(gòu)設計、外場等手段實現(xiàn)對各類半導體材料（如GaAs，InAs）中自旋-軌道耦合作用的有效控制，探索利用自旋-軌道耦合增強材料量子相干特性的途徑。在此基礎上發(fā)掘由自旋-軌道耦合導致的奇異量子輸運性質(zhì)。（二）、主要研究內(nèi)容針對以上擬解決的關鍵科學問題，本項目將從四個方面圍繞量子輸運開展全面的研究。主要內(nèi)容如下：在極低溫方面，本項目將搭建能夠?qū)崿F(xiàn)極低電子溫度的實驗平臺，使得二維電子氣中的電子溫度能夠盡量接近低溫系統(tǒng)的最低溫度，并發(fā)展能夠精確測量樣品電子溫度和在極低電子溫度下進行量子輸運測量的方法。在此基礎上，通過兩種方法來探測偶數(shù)分母量子霍爾態(tài)的非阿貝爾特性：(i)構(gòu)建偶數(shù)分母量子霍爾效應態(tài)的量子點接觸（QPC），通過測量隧穿伏安特性曲線和邊緣態(tài)間的隧穿來探測這些態(tài)的非阿貝爾特性；(ii)通過門電極來改變電子自旋和控制核自旋，測量偶數(shù)分母量子霍爾效應態(tài)的自旋馳豫，從而確定其電子自旋極化程度。同時，將利用這個平臺，確定微波輻射下二維電子氣的電流疇的存在性，結(jié)合理論澄清零電阻現(xiàn)象的物理起源，并在此基礎上發(fā)展遠離平衡態(tài)量子輸運的普適理論。在空間尺度方面，本項目將制備原子層厚度的金屬薄膜和石墨烯材料，發(fā)展針對這些原子層厚度薄膜的各種微加工工藝和材料改性手段，實現(xiàn)對這些材料量子輸運性質(zhì)的調(diào)控。通過引入各種雜質(zhì)和缺陷改變薄膜的無序度，研究其對薄膜局域化、超導、磁電阻等輸運性質(zhì)的影響；利用各種微加工或自組裝方法在這些金屬薄膜上加入各種空間調(diào)制（原子臺階、人工周期性結(jié)構(gòu)），研究人工結(jié)構(gòu)對超導薄膜位相漲落和阻挫的影響；對石墨烯進行具有原子精度的可控各向異性刻蝕，測量不同石墨烯納米結(jié)構(gòu)的量子輸運特性；控制石墨烯納米結(jié)構(gòu)的邊緣生長，研究由邊緣態(tài)導致的自旋極化現(xiàn)象。另外，在研究上述各類原子尺度微結(jié)構(gòu)的量子輸運性質(zhì)時，我們將充分利用本項目發(fā)展的低溫測量平臺。在時間尺度上，著重發(fā)展具有超高時間分辨的量子輸運測量技術。具體而言，就是發(fā)展掃描隧道顯微術，使其與現(xiàn)代超短時測量技術兼容，從而實現(xiàn)超高時間分辨的掃描隧道顯微術。利用這個新技術，在原子尺度上研究表面上單個分子/納米結(jié)構(gòu)的各種超快量子輸運過程，如庫侖阻塞、近藤效應、熱電子馳豫等。同時，也從理論上開展超高時間內(nèi)的輸運動力學和瞬態(tài)量子輸運的研究，以期發(fā)現(xiàn)一些新的奇特輸運現(xiàn)象，與實驗工作互相促進。在另外一方面，使用超快光譜，紅外光譜等手段研究石墨烯中載流子的量子輸運過程，提供飛秒時間分辨的輸運和電聲耦合等過程的物理圖像；同時，自行研制搭建先進的飛秒時間分辨光電子譜和非線性光譜裝臵，應用于測量電子運動和原子運動(分子振動)的演化過程。在材料改性方面，側(cè)重研究微結(jié)構(gòu)（如界面）、應變、電場、輻射場、晶向等對半導體（如GaAs、InAs）中自旋-軌道耦合的調(diào)控作用，探索其物理機制，發(fā)展有效的調(diào)控手段，實現(xiàn)強的自旋-軌道耦合。在此基礎上，研究自旋-軌道耦合對半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶自旋劈裂的影響，及其對量子輸運和自旋行為的影響。同時，在理論上理解自旋-軌道耦合對量子輸運基本規(guī)律的影響，探索利用自旋-軌道耦合提高材料量子相干特性的有效途徑，并從實驗上實現(xiàn)和觀測與之相關的奇異量子輸運行為。

二、預期目標本項目將積極發(fā)揮我們研究隊伍的優(yōu)勢，發(fā)揚團隊合作精神，充分利用已有的實驗條件和知識積累，并借助已經(jīng)建立起來的國際合作優(yōu)勢，針對所要解決的關鍵科學問題展開深入細致的攻關研究。從溫度、空間和時間尺度、材料等多方面突破現(xiàn)有實驗條件對量子輸運研究的限制，在各個所要解決的關鍵科學問題上取得實質(zhì)性的進展。特別在極低電子溫度冷卻及測量技術、量子輸運測量的超高時間分辨測量技術、二維電子氣中的拓撲量子態(tài)（如5/2態(tài)）的觀測和調(diào)控、原子層厚度金屬薄膜和石墨烯中的受限量子態(tài)、強自旋-軌道耦合材料的生長與改性等方面取得突破。通過本項目的開展，掌握量子輸運研究的核心技術，為我國下一代信息技術的發(fā)展提供前瞻性的科學儲備。同時，通過本項目的實施，培養(yǎng)和鍛煉一批具有國際水準的量子輸運研究人才，建立起一支創(chuàng)新能力強、凝聚力高、具有國際競爭力的研究隊伍。研究成果主要以論文和專利的形式公布。預期申報發(fā)明專利10項以上；每年發(fā)表論文50篇以上，其中5篇左右高端文章；每年培養(yǎng)博士研究生和博士后10名左右。圍繞上述總體目標，具體目標如下：1．關鍵技術目標（1）建成極低溫（系統(tǒng)最低溫度小于10mK，電子溫度小于20mK）強磁場量子輸運測量平臺。（2）實現(xiàn)和完善原子層厚度金屬薄膜和石墨烯的可控微加工工藝；建立超高真空下輸運性質(zhì)的原位測量系統(tǒng)。（3）結(jié)合超快測量技術與掃描探針技術，實現(xiàn)超高時間分辨的掃描隧道顯微術，獲得超高的空間（原子分辨）、時間（皮秒量級）和能量分辨率(小于5meV)。2．關鍵科學目標（1）制備出分數(shù)量子霍爾效應邊緣態(tài)干涉器，在實驗上確認5/2態(tài)的非阿貝爾統(tǒng)計規(guī)律。（2）從實驗上確定微波輻射下二維電子氣中電流疇的存在性，結(jié)合理論澄清微波輻射下零電阻效應的起源。（3）從實驗和理論上理解各種幾何構(gòu)型對金屬薄膜的超導波函數(shù)相位漲落及阻挫效應的影響。（4）通過原子尺度人工結(jié)構(gòu)的可控裁剪，實現(xiàn)對石墨烯的費米能級、能帶結(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)及拓撲性質(zhì)的調(diào)控。（5）利用自主研發(fā)的超高時間分辨掃描隧道顯微術表征表面上單個分子/納米結(jié)構(gòu)的各種超快量子輸運過程，如庫侖阻塞、近藤效應、熱電子馳豫等；建立超短時間內(nèi)輸運動力學和瞬態(tài)量子輸運的理論。（6）通過結(jié)構(gòu)設計、應變、電場、光照和晶向等實現(xiàn)對半導體材料中自旋-軌道耦合強度的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)新的自旋-軌道耦合效應。從理論上闡明自旋-軌道耦合對固體中電子動力學的影響，解釋相關的奇異量子輸運現(xiàn)象。

三、研究方案（一）、學術思路研究極端條件下的量子輸運的關鍵在于尋求各種手段和方法突破現(xiàn)有實驗條件對量子輸運研究的限制，拓展實現(xiàn)量子相干輸運的參數(shù)范圍，以期發(fā)現(xiàn)更多的新奇量子輸運現(xiàn)象。如圖1所示，量子輸運中的量子相干性主要受溫度，空間和時間尺度，以及材料等方面因素的影響?；谶@個分析，我們將分別從溫度、空間尺度、時間尺度和材料等方面出發(fā)，全面而系統(tǒng)地展開對極端條件下量子輸運的研究(如圖3所示)。在這個總體學術思路指導下，我們根據(jù)當前國內(nèi)外量子輸運領域發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，在每個方面確定了有可能取得突破的研究內(nèi)容：(1)在極低溫研究方面，我們將搭建極低溫（電子溫度20mK以下）強磁場量子輸運測量平臺，在此基礎上研究量子霍爾5/2態(tài)和遠離平衡態(tài)時的量子輸運。(2)在空間尺度的拓展方面，我們將對原子層厚度金屬薄膜和石墨烯進行各種人工改造，并研究其量子輸運性質(zhì)。(3)在時間尺度上，我們將發(fā)展超高時間分辨測量技術，對量子輸運的動力學過程進行觀測和解析。(4)在材料改性方面，我們將通過對自旋-軌道耦合的調(diào)控尋找具有更優(yōu)量子相干特性的材料。在研究內(nèi)容上，本項目注意與前期已經(jīng)執(zhí)行的項目在研究內(nèi)容上相互補充，相輔相成。各課題都圍繞影響量子輸運的主要因素開展研究，同時，各課題之間的研究內(nèi)容既有其獨特性，相互之間又具有關聯(lián)，從而發(fā)揮合作攻關的優(yōu)勢。在隊伍的組織上，本項目聯(lián)合了一批長期工作在量子輸運相關領域的優(yōu)秀人才，充分發(fā)揮實驗物理學家與理論物理學家合作攻關的優(yōu)勢，使得觀察到的物理現(xiàn)象能夠及時在理論上進行理解，同時理論又可以指導下一步實驗進行的方向。（二）、技術途徑本項目的總體技術途徑堅持如下原則：充分利用已有的技術和知識積累，保證項目的順利開展；同時積極開拓和發(fā)展新的實驗技術和理論方法，爭取讓我國在量子輸運研究領域走到世界的前列。在理論和實驗的結(jié)合上，一方面，理論隊伍將緊跟實驗的進展，爭取在第一時間消化和理解測量結(jié)果；另一方面，理論隊伍將開展一些前瞻性的研究，為實驗提供新的研究方向。本項目開展的技術途徑中主要有以下幾個環(huán)節(jié)：樣品制備、材料表征、微加工、各種物理條件下的物性測量、數(shù)據(jù)分析和理論計算等。具體介紹如下：實驗條件的建立：為了在更低的電子溫度下進行量子輸運的研究，我們將建設系統(tǒng)最低溫度小于10mK、最低電子溫度小于20mK的低溫量子輸運平臺；為了在超短時間尺度上研究量子輸運，將建設結(jié)合超快激光與掃描隧道顯微鏡的超短時量子輸運測量平臺。同時，我們還將完善現(xiàn)有的測試手段，以保證本項目的順利實施。樣品制備及獲?。豪靡延械脑O備生長本項目所需的各種樣品。如單原子層金屬膜，石墨烯。同時我們還將利用與海外合作者（美國普林斯頓大學LorenPfeiffer）的聯(lián)系，獲取高遷移率的二維電子氣樣品。樣品微加工：本項目的一大類實驗需要對樣品進行微加工。將利用本項目參與單位已有的微加工條件，并在此基礎上發(fā)展新的具有原子級精度的微加工技術。材料表征：對于上述各種材料，根據(jù)所要進行的測試以及開展后續(xù)工作所需的要求，使用相應的常規(guī)樣品表征手段如XRD、SEM、TEM、AFM、電阻率、霍爾電阻等進行表征，研究樣品表面及內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)和相關物性。輸運及物性測試：在所得到的樣品上利用各課題組已有的和將要發(fā)展的測試手段，利用各依托單位的公用設備，在極端條件如極低溫、超短時以及強磁場環(huán)境下進行量子輸運的測量。理論分析和理論模擬：理論成員將積極配合實驗組,在兩方面開展理論研究：(1)針對實驗中提出的問題和觀測到的現(xiàn)象，進行理論分析，構(gòu)造理論模型及進行理論模擬，從而獲得深入的理解以推動相關實驗的開展；(2)開展理論的前瞻性研究，從理論基礎，新現(xiàn)象預言，實驗方案設計等方面為實驗工作開展方向提供參考。（三）、可行性分析本項目的研究內(nèi)容和目標是項目組成員經(jīng)過深入的調(diào)研、反復的討論和論證之后的產(chǎn)物，屬于量子輸運研究領域的前沿核心問題，具有取得重大突破的可能性。同時，這些研究內(nèi)容和目標均立足于已有的工作基礎，具有高度的可行性。所有成員在各自所要開展的研究內(nèi)容方面都已經(jīng)進行了大量的前期工作，積累了許多寶貴的經(jīng)驗，并取得過豐碩的成果。承擔本項目的研究隊伍中既有已經(jīng)在量子輸運領域做出突出貢獻的知名科學家，又有許多身懷絕技、嶄露頭角的年輕學者。北京大學、中科院物理所和半導體所長期獲得科技部、教育部、科學院及基金委的支持，已經(jīng)擁有了開展本項目研究所需的主要實驗設備，為本項目的開展提供了良好的基礎。具體而言：（1）在實現(xiàn)低溫條件方面，本項目的課題負責人之一杜瑞瑞教授是極低溫物理方面知名專家，是國際上少數(shù)幾個掌握了將樣品的電子溫度降低到mK量級這一核心技術的專家之一。他的參與保證了本項目在建設極低溫量子輸運研究平臺的成功。（2）在有關超高遷移率二維電子氣的研究方面，項目組成員與美國普林斯頓大學的LorenPfeiffer有長期穩(wěn)定的合作關系，可以獲得目前世界上最好的超高遷移率樣品。杜瑞瑞教授和骨干成員林熙在量子霍爾5/2態(tài)的研究上有豐富的經(jīng)驗，杜瑞瑞教授領導的研究組則是微波輻射下二維電子氣中零電阻效應的發(fā)現(xiàn)者。這些條件和基礎保證了相關研究能在國際上處于領先地位。（3）在實現(xiàn)和完善原子層厚度金屬薄膜和石墨烯的可控微加工工藝方面，骨干成員何坷可以提供所需的原子層厚度金屬薄膜樣品。物理所的微加工實驗室擁有的大量微加工設備，如EBL、RIE、FIB，可進行各種微納尺度圖形的加工，完全可以滿足本項目對樣品微納加工的需求。邱祥岡和張廣宇兩位研究員具有長期進行樣品微納加工的經(jīng)驗，分別在超導薄膜和石墨烯的可控微加工方面有獨特的專長，并已在相關的研究領域取得了引人注目的成績。（4）在實現(xiàn)超高時間分辨的掃描隧道顯微技術方面，骨干成員江穎在WilsonHo小組工作期間參與了世界上首臺超快激光和STM組合的搭建，掌握了一套完整的技術。骨干成員孫棟則在世界上較早利用超快光研究了石墨烯中的載流子動力學過程。這些積累將保證相關研究的順利完成。（5）在半導體自旋-軌道耦合效應的實驗研究方面，陳涌海研究員長期從事半導體材料中自旋-軌道耦合效應的研究，曾經(jīng)作為首席科學家主持國家973項目《新型半導體低維結(jié)構(gòu)材料物理》，具有長期的工作積累。在理論方面，本項目首席科學家牛謙教授長期研究自旋-軌道耦合效應及其對量子輸運的影響，在反?；魻栃妥孕魻栃矫娴墓ぷ飨碛袊H聲譽。這些積累將保證本項目這方面的研究順利開展。（四）、創(chuàng)新性及特色1.創(chuàng)新點(1)在要進行量子輸運測量的樣品上同時制備一個量子點，利用其庫侖阻塞信號精確確定該樣品的電子溫度。精確確定電子溫度一直是量子輸運測量中的一個技術難點，過去通常采用間接的方法。(2)利用Fabry-Perot干涉原理，確定量子霍爾5/2態(tài)非阿貝爾統(tǒng)計的存在性。相比理論上提出的基于Mach-Zehnder干涉原理的方案，我們的方法更容易在實驗上實現(xiàn)。(3)在超高真空環(huán)境中，生長具有原子尺度量子結(jié)構(gòu)的金屬薄膜樣品，對其進行原位量子輸運測量，來解決這類樣品與空氣接觸后易變質(zhì)的難題。(4)利用磁場和具有對稱性較低的人工結(jié)構(gòu)來調(diào)控超導波函數(shù)行為，以模擬凝聚態(tài)物理中的一些重要物理現(xiàn)象如Hofstadterbutterfly、二維Mott絕緣體等。為研究一大類復雜凝聚態(tài)物理現(xiàn)象提供了新途徑。(5)將超快測量技術和掃描隧道顯微術結(jié)合，得到超高時間分辨的量子輸運測量技術，使得納米/亞納米尺度的超快量子輸運研究成為可能，例如可以實時跟蹤電子在通過量子點或單分子時的量子動力學過程。(6)通過量子結(jié)構(gòu)設計和應變來實現(xiàn)對能帶自旋劈裂和電子自旋行為的調(diào)控。目前國際上主要采用電場通過Rashba效應來調(diào)控能帶自旋劈裂。2.特色（1）從影響量子相干輸運過程的溫度，空間和時間尺度，材料特性等基本要素出發(fā)，全面開展極端條件下量子輸運的研究。（2）充分利用項目組成員已有的在樣品生長（如原子層厚度金屬薄膜、石墨烯）、微加工等方面的特色設備以及經(jīng)驗優(yōu)勢來開展相關研究。（3）本項目有兩位中組部千人計劃的入選者，他們在量子輸運研究領域的實驗和理論方面分別享有很高的國際聲譽。在本項目中不但起到了領軍作用而且起到了橋梁作用，比如得到LorenPfeiffer的超高遷移率樣品，為本項目的順利開展提供了保證。（4）本項目組織了一只強大的理論隊伍，可以為本項目相關實驗的開展提供理論支持，更加透徹地理解相關實驗現(xiàn)象。在實驗的幫助和啟示下，將可能提出新概念和發(fā)展新理論。

四、年度計劃研究內(nèi)容預期目標第一年（1）以購置的稀釋制冷機系統(tǒng)為核心，建設包括低溫制冷機、強磁體和高頻調(diào)控譜儀等配套設施的綜合極端條件量子輸運測量系統(tǒng)。（2）探索各種原子層厚度的金屬薄膜的制備方法，發(fā)展在此類樣品上進行微加工的工藝，制備出各種幾何圖形來進行電輸運測量。（3）制備單層、兩層、和三層的高質(zhì)量石墨烯材料并將其定位于Si/SiO2基底之上；在碳化硅和氮化硼等單晶基底上外延石墨烯，摸索優(yōu)化的生長工藝；利用氣相等離子體各向異性刻蝕技術處理石墨烯樣品，研究各向異性刻蝕機理和刻蝕的可控性，為后期加工提供各種工藝參數(shù)。（4）在雙層石墨烯CVD生長中引入大連續(xù)域單層石墨烯兩步法CVD生長技術,調(diào)節(jié)各種生長參數(shù)優(yōu)化雙層石墨烯的生長質(zhì)量。（5）石墨烯樣品制備和清潔處理研究，包括力學解理，碳化硅熱裂解和金屬上CVD生長的方法等；低溫SYM系統(tǒng)的安裝調(diào)試。（7）完善現(xiàn)有的超導磁體強場低溫測量系統(tǒng)，提高控溫精度及穩(wěn)定性；研制超高真空原位電輸運測量系統(tǒng)。（8）針對超快激光和掃描隧道顯微鏡相耦合還存在的技術難題，設計高穩(wěn)定性的光學兼容掃描隧道顯微鏡探頭，并開始零部件的采購。（9）設計表面光催化超快動力學裝置，采購相關的零部件，加工真空腔體和部件；采購、安裝激光器；進行光學部分的設計。（10）在雙層石墨烯CVD生長中引入大連續(xù)域單層石墨烯兩步法CVD生長技術,調(diào)節(jié)各種生長參數(shù)優(yōu)化雙層石墨烯的生長質(zhì)量。（11）石墨烯樣品制備和清潔處理研究，包括力學解理，碳化硅熱裂解和金屬上CVD生長的方法等；低溫SYM系統(tǒng)的安裝調(diào)試。（12）摸索簡捷的獲取單層或特定層數(shù)的樣品的方法。（13）研究低維小體系在電壓突變時，瞬時電流的發(fā)熱規(guī)律。（14）光照對GaAs基量子結(jié)構(gòu)圓偏振自旋光電流的影響；搭建圓偏振自旋光電譜測量系統(tǒng)。（14）GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的MOCVD生長和樣品微加工,完善強磁場、超低溫磁輸運測量系統(tǒng)。（15）建立和完善必要的低溫強磁場綜合物性測試平臺、原子尺度上優(yōu)化納米尺度樣品的生長工藝，發(fā)展超導和鐵磁納米電極的制備工藝以及微納加工工藝。初步開展一維和二維尺度下拓撲絕緣體p-n結(jié)器件的制備和在超導Al、鐵磁Co電極下的量子干涉效應研究。（16）石墨烯樣品制備和清潔處理研究，包括力學解理，碳化硅熱裂解和金屬上CVD生長的方法等；低溫SYM系統(tǒng)的安裝調(diào)試。（16）采用第一性原理方法，研究石墨烯材料引入各種金屬、非金屬原子雜質(zhì)對薄膜電子結(jié)構(gòu)、磁性和輸運性質(zhì)的影響。（1）實現(xiàn)實驗室的基本功能，比如冷卻水、壓縮空氣、工作臺和基本工具配置。建立電磁噪聲屏蔽室和減震臺。搭建稀釋制冷機所需的升降輔助設備。完成稀釋制冷機的基本安裝。（2）成功制備幾種具有幾個甚至單個原子層厚的金屬和超導薄膜。能夠在此類薄膜上制備出簡單的微加工圖案并測量得到初步的結(jié)果。（3）生長出大連續(xù)域雙層CVD石墨烯。（4）制備單層或特定層數(shù)的MoS2和WS2并完成相關表征。（5）獲得大面積，空位缺陷少，干凈的單層石墨烯。（6）深入理解各向異性刻蝕的物理機制，得到標準的可重復的石墨烯的各向異性刻蝕方法，為下一步石墨烯納米結(jié)構(gòu)的可控加工做好準備。（7）實現(xiàn)在超高真空中原位測量材料的電輸運性質(zhì)。（8）理解雜質(zhì)原子對石墨烯薄膜的電子結(jié)構(gòu)的影響與調(diào)制。（9）完成光學兼容的掃描隧道顯微鏡的設計和零部件采購。（10）完成表面光催化超快動力學裝置的設計及零部件的采購。（11）建立與時間分辨隧道顯微譜儀密切相關的含時第一性原理計算模擬方法。（13）揭露低維小體系在通電流時瞬態(tài)發(fā)熱規(guī)律。（14）初步掌握光照調(diào)控能帶自旋分裂的機制；建成圓偏振自旋光電流譜測試系統(tǒng)。（15）制備出高質(zhì)量AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，通過SdH振蕩測量，探測異質(zhì)結(jié)構(gòu)中2DEG的朗道能級分裂、Zeeman分裂和零場自旋分裂及其相互作用關系。（16）得到高質(zhì)量的單晶拓撲絕緣體薄膜、納米線和p-n結(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)定的Al、Co金屬接觸，在Al、Co電極與拓撲絕緣體異質(zhì)體系中發(fā)現(xiàn)新的物理效應。發(fā)表相關學術論文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申報專利1－2項。第二年（1）繼續(xù)調(diào)試稀釋制冷機，利用其獲得所需的極低溫環(huán)境。（2）在高遷移率的GaAs異質(zhì)結(jié)樣品構(gòu)建量子點，利用其庫侖阻塞效應來標定樣品中的電子溫度。（3）搭建用于驅(qū)動二維電子氣的高度可調(diào)微波輻射源。（4）完善加工工藝并初步加工石墨烯納米結(jié)構(gòu)。包括完善氣相等離子體各向異性刻蝕技術各種工藝參數(shù)，研究各種工藝參數(shù)對邊緣結(jié)構(gòu)及刻蝕速度等的影響，初步設計和加工可控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。（5）結(jié)合掃描隧道譜、角分辨光電子能譜和原位輸運測量，初步探索各種原子層厚金屬薄膜的局域化、超導、磁電阻等輸運性質(zhì)，對摻雜導致的局域化和超導電性之間的關系，原子層厚超導薄膜中的超導漲落以及長程位相相干進行研究。探索原子層厚金屬薄膜的保護方法。（6）研究襯底，不同層數(shù)和點空位缺陷對石墨烯電子能態(tài)的影響。（7）光學掃描隧道顯微鏡掃描探頭的整合和搭建；制作超高真空腔體；制作掃描隧道顯微鏡控制電路；開始搭建超快激光和微弱光探測系統(tǒng)。（8）完成光催化超快動力學裝置真空部分的安裝、調(diào)試、優(yōu)化；完成光學部分的安裝、優(yōu)化；獲得表面雙光子光電子譜，嘗試在大氣條件下獲取表面和頻光譜。（8）制作基于各種樣品的電子器件或者光電子器件的納米加工,以及一般的double-gatedsourceanddrain等對樣品表征有幫助的中間器件。（9）結(jié)合納米加工的電極,進行時間分辨的中遠紅外和鈦赫茲的光電流的測量。（10）研究飛秒與原秒脈沖激光下磁性、非磁性探針與吸附和摻雜石墨烯納米結(jié)構(gòu)的耦合效應。（11）從理論上研究低維體系(如量子點、石墨烯等)在超短時間內(nèi)的瞬態(tài)量子輸運規(guī)律。（12）界面對低維量子體系的能帶自旋分裂的影響及其實驗表征；搭建遠紅外的圓偏振自旋光電流系統(tǒng)。（13）柵壓對GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)低溫磁輸運的影響。（14）發(fā)展Nb、Ni等新的超導與鐵磁電極微納米加工工藝，研究超導鐵磁電極在納米拓撲絕緣體體系中的普適性，以及基于此的量子計算器件與自旋電子器件。（15）非金屬體系雜質(zhì)散射對電子輸運的影響理論研究。（1）對稀釋制冷機進行降溫調(diào)試，使系統(tǒng)最低溫度達到10mk以下。（2）利用量子點的庫侖阻塞效應完成電子溫度計的制備。（3）完成能有效耦合樣品中二維電子氣的高度可調(diào)微波輻射源。（4）得到一套完善的具有確定晶提取向和zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯的可控加工技術，實現(xiàn)可重復的、可調(diào)控的石墨烯納米結(jié)構(gòu)加工。包括：石墨烯量子點、寬度10納米左右的納米帶、及二維周期超晶格（微米尺度周期）結(jié)構(gòu)等的可控加工。（5）初步得到原子層厚金屬薄膜電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)的關系。得到隨著摻雜濃度的改變局域超導電性發(fā)生改變，得到一個不能觀察到局域超導能隙的臨界摻雜濃度。為原子層厚金屬薄膜找到合適的保護層材料，實現(xiàn)原位測量和非原位測量結(jié)果的一致，排除環(huán)境對非原位測量結(jié)果的影響。（6）完成光學兼容掃描探頭的制作；完成超高真空腔體的制作；完成掃描隧道顯微鏡控制電路的制作；完成超快激光和微弱光探測系統(tǒng)的搭建。（7）初步完成光催化超快動力學裝置的研制。（8）獲得適合于超快光譜研究的中間樣品。（9）研究得到石墨烯光探測器的鈦赫茲和紅外響應。（10）揭示隧道電子的電荷與自旋轉(zhuǎn)移與分布的瞬態(tài)規(guī)律。（11）發(fā)現(xiàn)一些新奇的瞬態(tài)量子輸運現(xiàn)象。（12）闡明界面對自旋軌道耦合的影響及其表現(xiàn)形式；建成基于CO2激光的圓偏振自旋光電流測量系統(tǒng)；（13）解決柵漏電問題，制備出帶柵結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)Hall-bar樣品，并通過改變磁場角度等方法，研究GaN基2DEG自旋分裂的各向異性；（14）得到系統(tǒng)可信的結(jié)果，為下一步研究吸附原子的影響提供準確的比較基準和可控的調(diào)制手段。（15）發(fā)現(xiàn)各種超導鐵磁電極在不同拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的普適物理效應，利用這些效應建立新的物理模型，并基于此開發(fā)新的量子計算與電子自旋器件。（16）完成可以有效地處理非金屬體系雜質(zhì)散射對電子輸運的影響的程序包。發(fā)表相關學術論文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申報專利1－2項。第三年（1）在之前制備的量子點電子溫度計的指導下，繼續(xù)調(diào)試稀釋制冷機，盡量降低樣品中電子的溫度。（2）在高遷移率的GaAs異質(zhì)結(jié)樣品上制造器件，實現(xiàn)量子點接觸。（3）安裝掃描霍爾顯微鏡(ScanningHallprobemicroscope,SHPM),用來觀察微波輻射下二維電子氣中可能存在的電流疇。（4）嘗試利用利用自組裝和微加工的手段在金屬和超導薄膜中加入各種空間調(diào)制，制成各種亞微米、納米結(jié)構(gòu)。（5）完善電子束光刻和掃描探針nanolithography技術，精確加工具有原子級齊整的zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，用于量子輸運器件的石墨烯樣品的可控加工和器件的制備。（6）利用各種非原位測量手段對原子層厚金屬薄膜中的量子輸運現(xiàn)象進行深入的研究。探索利用摻雜、場效應等手段對薄膜電子結(jié)構(gòu)、化學勢、雜質(zhì)濃度進行調(diào)控。（7）氫原子在石墨烯上的吸附過程及其控制。（8）初步研究石墨烯納米器件的電輸運特性。研究石墨烯與金屬電極的接觸問題，尋找近歐姆接觸的電極材料。（9）第一性原理和多尺度模擬研究在原子層厚度薄膜上加入各種空間調(diào)制（原子臺階、人工周期性結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)對薄膜電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。（10）集成掃描隧道顯微鏡和超快激光系統(tǒng)，并利用模型系統(tǒng)對該設備的各項性能進行測試。（11）開展超高真空條件下TiO2表面有機分子，如甲醇等的表面振動光譜，并進一步優(yōu)化系統(tǒng)；改進真空部分和光學部分的匹配；進行超快時間分辨表面振動光譜的研究，并繼續(xù)對系統(tǒng)改進和完善。（12）利用強鈦赫茲源研究石墨烯以及石墨烯等材料和相關器件在鈦赫茲的響應,鈦赫茲的高階非線性效應，研究二維體系的特殊性質(zhì)。（13）利用超快紅外和鈦赫茲泵浦探測的方法研究石墨烯等材料和器件的熱電子動力學研究,電聲耦合研究以及各種納米加工工藝對器件的性能的影響。（14）研究單軸應變、電場等GaAs基、GaSb基量子體系的圓偏振自旋光電流和能帶自旋分裂的調(diào)控作用，研究半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)電流誘導自旋極化效應的微觀物理機制。（15）繼續(xù)進行不同柵壓下的GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行磁輸運測量，進行自旋光電流譜和單軸應變實驗，研究自旋軌道耦合系數(shù)與應變和壓電極化效應的定量關系。（16）通過SdH振蕩磁輸運測量，結(jié)合其他磁性測量手段，研究ZnO基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的輸運。（17）系統(tǒng)探索各類超導和鐵磁納米電極與單晶拓撲絕緣體納米結(jié)構(gòu)原子尺度上的接觸工藝，在極端條件下系統(tǒng)開展各類電極對拓撲絕緣體物性影響的電輸運測試。（18）理論探索利用閃鋅礦結(jié)構(gòu)中的一些強自旋極化材料來改變Fe/GaAs自旋注入結(jié)構(gòu)中的界面輸運性質(zhì)。（1）利用量子點電子溫度計確定系統(tǒng)最低電子溫度，實現(xiàn)電子溫度不高于20mK。（2）完成在高遷移率的GaAs異質(zhì)結(jié)樣品上構(gòu)建量子點接觸。（3）完成掃描霍爾顯微鏡（SHPM）的安裝調(diào)試，以及其和稀釋制冷機的整合。（4）得到穩(wěn)定的原子層厚金屬和超導薄膜的微加工工藝。（5）得到加工線寬小于10nm，周期性小于100nm的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。結(jié)合濕法刻蝕技術；制備懸浮石墨烯納米結(jié)構(gòu)樣品，得到干凈的、遷移率高的納米石墨烯樣品，用于加工各種石墨烯納米器件。（6）獲得原子層厚金屬薄膜全面的物理性質(zhì)。實現(xiàn)對薄膜電子結(jié)構(gòu)、化學勢、雜質(zhì)濃度的控制。對單原子層厚度極限下的超導薄膜樣品中的K-T相變以及超導漲落行為有一個初步理解。（7）掌握氫原子在石墨烯上可控吸附的最佳參數(shù)。（8）初步實現(xiàn)室溫下石墨烯納米器件的電輸運特性的測量。利用單一金屬或合金形成接觸，使接觸電阻低于100m。（9）實現(xiàn)超快激光與掃描隧道顯微鏡的耦合，完成對系統(tǒng)的性能測試，并初步開始正常運行和數(shù)據(jù)采集。（10）完成光催化超快動力學裝置的研制，建立表面光催化動力學研究的平臺，為將來開展更廣泛的探索打好基礎。（11）了解石墨烯以及石墨烯等材料和相關器件的鈦赫茲響應特性。（12）獲得石墨烯以及石墨烯等材料電子聲子的馳豫和耦合100fs分辨率的超快特性。（13）獲得電場影響SIA自旋軌道耦合和能帶自旋分裂的實驗規(guī)律；獲得自旋軌道耦合系數(shù)與應變和壓電極化效應的定量關系。（發(fā)表相關學術論文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申報專利1－2項。第四年（1）利用量子點接觸，通過隧穿研究5/2量子態(tài)，制備其量子干涉儀。（2）利用SHPM觀察微波輻射下二維電子氣中是否存在電流疇或確認電流疇存在的條件。（3）完善各種石墨烯納米結(jié)構(gòu)的加工，摸索器件加工工藝，制作石墨烯功能納米器件。（4）利用低溫強場量子輸運測量系統(tǒng)研究原子級齊整的zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米結(jié)構(gòu)器件中邊緣態(tài)對電子和自旋的調(diào)控。（5）氫原子/石墨烯體系局域態(tài)密度和量子輸運的STM和STS研究。（6）利用第一性原理方法研究石各種墨烯納米結(jié)構(gòu)和人工剪裁的結(jié)構(gòu)的量子限于效應和邊緣態(tài)效應。（7）系統(tǒng)研究原子層厚金屬薄膜物理性質(zhì)隨電子結(jié)構(gòu)、化學勢、雜質(zhì)濃度、形狀和尺寸的變化。（8）對原子層厚超導薄膜中的長程位相相干和二維電子態(tài)對超導物性的影響開展研究。（9）利用超高時間分辨掃描隧道顯微術研究半導體表面電子-空穴對復合的超快動力學過程。（10）研究醇類分子在TiO2表面上的各種超快動力學過程。（11）在強磁場等特殊條件下的石墨烯納米帶中進行全光雙色相干調(diào)控實驗,通過對彈道電子輻射的鈦赫茲的探測,研究彈道電子的輸運過程。（12）研究應變下電荷與自旋在石墨烯與拓撲絕緣體表面的瞬態(tài)分布過程。（13）研究GaAs基、GaSb基等半導體量子體系的圓偏振自旋光電流光譜及其隨量子結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。（14）繼續(xù)進行AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的自旋光電流譜和單軸應變實驗，繼續(xù)進行研究ZnO基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的低溫磁輸運輸運。（15）探索拓撲絕緣體納米材料表面原子尺度的形貌、結(jié)構(gòu)、物性等對一維和二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運影響，開展強磁場極低溫高壓下的一維及二維量子輸運測試，探索單晶納米管的生長制備工藝以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運研究。（16）研究實際材料中的電流－自旋紐矩相互作用。（1）完成制備一系列不同尺寸的高質(zhì)量量子干涉儀；為后續(xù)關鍵研究提供堅實的基礎。（2）在實驗上確認微波輻射下二維電子氣中是否存在電流疇；如果存在，進一步確認電流疇受什么因素影響，有什么有趣的性質(zhì)；結(jié)合理論澄清微波輻射下二維電子氣中零電阻的起源。（3）實現(xiàn)可控加工具有確定晶體取向和zigzag邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯單電子量子點器件、場效應管器件、自旋極化的量子器件、室溫下的彈道輸運器件、量子霍爾效應器件等。（4）理解尺寸限制效應、邊緣態(tài)、和二維周期性結(jié)構(gòu)在電子和自旋方面對器件的物理特性的調(diào)控。（5）了解原子層厚金屬薄膜物理性質(zhì)隨電子結(jié)構(gòu)、化學勢、雜質(zhì)濃度、形狀和尺寸變化的規(guī)律。（6）掌握原子層厚度超導薄膜中是否存在長程位相相干以及實現(xiàn)的條件，初步了解二維電子的配對機制。（7）闡明氫吸附對石墨烯局域量子輸運的微觀機制。（8）獲得空間分辨的半導體表面電子-空穴對復合動力學過程。（9）獲得醇類分子在TiO2(110)表面的光催化動力學，獲得表面光激發(fā)，電子與聲子及表面分子振動之間的耦合等信息。（10）了解光激發(fā)彈道載流子在特定條件下輸運性質(zhì)。（11）發(fā)現(xiàn)應變下電荷分布、成鍵、能級漂移、自旋極化等瞬態(tài)變化規(guī)律。（12）獲得SIA和BIA自旋軌道耦合對應的圓偏振自旋光電流譜和自旋軌道耦合系數(shù)，及其隨量子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的規(guī)律。（13）基本弄清GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中自旋軌道耦合系數(shù)與應變和壓電極化效應的定量關系；基本弄清ZnO基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中晶格缺陷及其導致的鐵磁性對自旋的影響。（14）獲得原子尺度表面態(tài)對于拓撲絕緣體納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)電輸運重要影響的證據(jù)，制備出基于拓撲絕緣體的新的單晶納米管，開發(fā)新的納電子器件。發(fā)表相關學術論文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申報專利1－2項。第五年（1）利用量子干涉儀研究和尋找5/2量子態(tài)中的量子干涉圖