2012CB921300-G-极端条件下量子输运的研究和调控

项目名称：极端条件下量子输运的研究和调控首席科学家：牛谦北京大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部中国科学院

一、关键科学问题及研究内容（一）、拟解决的关键科学问题本项目的关键科学问题在于：如何突破现有实验条件在温度、空间与时间尺度、材料等方面的限制,在更广泛的条件下实现具有量子相干性的输运过程,发现新的量子输运现象，并发展相应精密测量技术及量子调控手段，为下一代的材料、器件、信息技术等提供物理基础。图2演示了这个关键科学问题的内涵。深色的三角区域表示在现有条件下能够观察到量子输运的参数范围。本项目的关键科学问题归根结底就是要扩张这个三角区域，在更广泛的参数条件下实现量子输运，以深化我们对已有物理现象的理解，同时发现新现象，寻找新规律，在此基础上发展新概念。示意图中的三个箭头表示拓展量子输运区域的三个途径：指向左方的箭头表示将电子温度降得更低；指向下方的箭头表示在更小空间或更短的时间尺度上观测及控制量子输运行为；指向右上的箭头表示寻找具有更优量子相干特性的材料。基于以上分析，本项目可以从四个方面协同解决上述关键科学问题：在温度方面，着重发展极低温电子冷却技术及相关测量手段，并以此为基础从实验上确认分数量子霍尔效应系统中5/2态的非阿贝尔性质，澄清强微波辐射下二维电子气零电阻效应的物理起源。在空间尺度方面，发展和完善针对原子层厚度薄膜的各种微加工工艺和材料改性手段。在此基础上研究人工结构对超导薄膜位相涨落和阻挫的影响，以及石墨烯上各种人工结构对其量子输运性质的影响，实现对这些材料量子输运性质的调控。在时间尺度方面，着重发展具有时间分辨的量子输运测量技术，实现可进行超高时间分辨测量的扫描隧道显微镜。以此为基础研究表面上单个分子/纳米结构的各种超快量子输运过程，理解量子相干时间内的输运过程和动力学行为。在优化材料相干特性方面，通过材料结构设计、外场等手段实现对各类半导体材料（如GaAs，InAs）中自旋-轨道耦合作用的有效控制，探索利用自旋-轨道耦合增强材料量子相干特性的途径。在此基础上发掘由自旋-轨道耦合导致的奇异量子输运性质。（二）、主要研究内容针对以上拟解决的关键科学问题，本项目将从四个方面围绕量子输运开展全面的研究。主要内容如下：在极低温方面，本项目将搭建能够实现极低电子温度的实验平台，使得二维电子气中的电子温度能够尽量接近低温系统的最低温度，并发展能够精确测量样品电子温度和在极低电子温度下进行量子输运测量的方法。在此基础上，通过两种方法来探测偶数分母量子霍尔态的非阿贝尔特性：(i)构建偶数分母量子霍尔效应态的量子点接触（QPC），通过测量隧穿伏安特性曲线和边缘态间的隧穿来探测这些态的非阿贝尔特性；(ii)通过门电极来改变电子自旋和控制核自旋，测量偶数分母量子霍尔效应态的自旋驰豫，从而确定其电子自旋极化程度。同时，将利用这个平台，确定微波辐射下二维电子气的电流畴的存在性，结合理论澄清零电阻现象的物理起源，并在此基础上发展远离平衡态量子输运的普适理论。在空间尺度方面，本项目将制备原子层厚度的金属薄膜和石墨烯材料，发展针对这些原子层厚度薄膜的各种微加工工艺和材料改性手段，实现对这些材料量子输运性质的调控。通过引入各种杂质和缺陷改变薄膜的无序度，研究其对薄膜局域化、超导、磁电阻等输运性质的影响；利用各种微加工或自组装方法在这些金属薄膜上加入各种空间调制（原子台阶、人工周期性结构），研究人工结构对超导薄膜位相涨落和阻挫的影响；对石墨烯进行具有原子精度的可控各向异性刻蚀，测量不同石墨烯纳米结构的量子输运特性；控制石墨烯纳米结构的边缘生长，研究由边缘态导致的自旋极化现象。另外，在研究上述各类原子尺度微结构的量子输运性质时，我们将充分利用本项目发展的低温测量平台。在时间尺度上，着重发展具有超高时间分辨的量子输运测量技术。具体而言，就是发展扫描隧道显微术，使其与现代超短时测量技术兼容，从而实现超高时间分辨的扫描隧道显微术。利用这个新技术，在原子尺度上研究表面上单个分子/纳米结构的各种超快量子输运过程，如库仑阻塞、近藤效应、热电子驰豫等。同时，也从理论上开展超高时间内的输运动力学和瞬态量子输运的研究，以期发现一些新的奇特输运现象，与实验工作互相促进。在另外一方面，使用超快光谱，红外光谱等手段研究石墨烯中载流子的量子输运过程，提供飞秒时间分辨的输运和电声耦合等过程的物理图像；同时，自行研制搭建先进的飞秒时间分辨光电子谱和非线性光谱装臵，应用于测量电子运动和原子运动(分子振动)的演化过程。在材料改性方面，侧重研究微结构（如界面）、应变、电场、辐射场、晶向等对半导体（如GaAs、InAs）中自旋-轨道耦合的调控作用，探索其物理机制，发展有效的调控手段，实现强的自旋-轨道耦合。在此基础上，研究自旋-轨道耦合对半导体异质结构能带自旋劈裂的影响，及其对量子输运和自旋行为的影响。同时，在理论上理解自旋-轨道耦合对量子输运基本规律的影响，探索利用自旋-轨道耦合提高材料量子相干特性的有效途径，并从实验上实现和观测与之相关的奇异量子输运行为。

二、预期目标本项目将积极发挥我们研究队伍的优势，发扬团队合作精神，充分利用已有的实验条件和知识积累，并借助已经建立起来的国际合作优势，针对所要解决的关键科学问题展开深入细致的攻关研究。从温度、空间和时间尺度、材料等多方面突破现有实验条件对量子输运研究的限制，在各个所要解决的关键科学问题上取得实质性的进展。特别在极低电子温度冷却及测量技术、量子输运测量的超高时间分辨测量技术、二维电子气中的拓扑量子态（如5/2态）的观测和调控、原子层厚度金属薄膜和石墨烯中的受限量子态、强自旋-轨道耦合材料的生长与改性等方面取得突破。通过本项目的开展，掌握量子输运研究的核心技术，为我国下一代信息技术的发展提供前瞻性的科学储备。同时，通过本项目的实施，培养和锻炼一批具有国际水准的量子输运研究人才，建立起一支创新能力强、凝聚力高、具有国际竞争力的研究队伍。研究成果主要以论文和专利的形式公布。预期申报发明专利10项以上；每年发表论文50篇以上，其中5篇左右高端文章；每年培养博士研究生和博士后10名左右。围绕上述总体目标，具体目标如下：1．关键技术目标（1）建成极低温（系统最低温度小于10mK，电子温度小于20mK）强磁场量子输运测量平台。（2）实现和完善原子层厚度金属薄膜和石墨烯的可控微加工工艺；建立超高真空下输运性质的原位测量系统。（3）结合超快测量技术与扫描探针技术，实现超高时间分辨的扫描隧道显微术，获得超高的空间（原子分辨）、时间（皮秒量级）和能量分辨率(小于5meV)。2．关键科学目标（1）制备出分数量子霍尔效应边缘态干涉器，在实验上确认5/2态的非阿贝尔统计规律。（2）从实验上确定微波辐射下二维电子气中电流畴的存在性，结合理论澄清微波辐射下零电阻效应的起源。（3）从实验和理论上理解各种几何构型对金属薄膜的超导波函数相位涨落及阻挫效应的影响。（4）通过原子尺度人工结构的可控裁剪，实现对石墨烯的费米能级、能带结构、自旋结构及拓扑性质的调控。（5）利用自主研发的超高时间分辨扫描隧道显微术表征表面上单个分子/纳米结构的各种超快量子输运过程，如库仑阻塞、近藤效应、热电子驰豫等；建立超短时间内输运动力学和瞬态量子输运的理论。（6）通过结构设计、应变、电场、光照和晶向等实现对半导体材料中自旋-轨道耦合强度的调控，发现新的自旋-轨道耦合效应。从理论上阐明自旋-轨道耦合对固体中电子动力学的影响，解释相关的奇异量子输运现象。

三、研究方案（一）、学术思路研究极端条件下的量子输运的关键在于寻求各种手段和方法突破现有实验条件对量子输运研究的限制，拓展实现量子相干输运的参数范围，以期发现更多的新奇量子输运现象。如图1所示，量子输运中的量子相干性主要受温度，空间和时间尺度，以及材料等方面因素的影响。基于这个分析，我们将分别从温度、空间尺度、时间尺度和材料等方面出发，全面而系统地展开对极端条件下量子输运的研究(如图3所示)。在这个总体学术思路指导下，我们根据当前国内外量子输运领域发展的现状和趋势，在每个方面确定了有可能取得突破的研究内容：(1)在极低温研究方面，我们将搭建极低温（电子温度20mK以下）强磁场量子输运测量平台，在此基础上研究量子霍尔5/2态和远离平衡态时的量子输运。(2)在空间尺度的拓展方面，我们将对原子层厚度金属薄膜和石墨烯进行各种人工改造，并研究其量子输运性质。(3)在时间尺度上，我们将发展超高时间分辨测量技术，对量子输运的动力学过程进行观测和解析。(4)在材料改性方面，我们将通过对自旋-轨道耦合的调控寻找具有更优量子相干特性的材料。在研究内容上，本项目注意与前期已经执行的项目在研究内容上相互补充，相辅相成。各课题都围绕影响量子输运的主要因素开展研究，同时，各课题之间的研究内容既有其独特性，相互之间又具有关联，从而发挥合作攻关的优势。在队伍的组织上，本项目联合了一批长期工作在量子输运相关领域的优秀人才，充分发挥实验物理学家与理论物理学家合作攻关的优势，使得观察到的物理现象能够及时在理论上进行理解，同时理论又可以指导下一步实验进行的方向。（二）、技术途径本项目的总体技术途径坚持如下原则：充分利用已有的技术和知识积累，保证项目的顺利开展；同时积极开拓和发展新的实验技术和理论方法，争取让我国在量子输运研究领域走到世界的前列。在理论和实验的结合上，一方面，理论队伍将紧跟实验的进展，争取在第一时间消化和理解测量结果；另一方面，理论队伍将开展一些前瞻性的研究，为实验提供新的研究方向。本项目开展的技术途径中主要有以下几个环节：样品制备、材料表征、微加工、各种物理条件下的物性测量、数据分析和理论计算等。具体介绍如下：实验条件的建立：为了在更低的电子温度下进行量子输运的研究，我们将建设系统最低温度小于10mK、最低电子温度小于20mK的低温量子输运平台；为了在超短时间尺度上研究量子输运，将建设结合超快激光与扫描隧道显微镜的超短时量子输运测量平台。同时，我们还将完善现有的测试手段，以保证本项目的顺利实施。样品制备及获取：利用已有的设备生长本项目所需的各种样品。如单原子层金属膜，石墨烯。同时我们还将利用与海外合作者（美国普林斯顿大学LorenPfeiffer）的联系，获取高迁移率的二维电子气样品。样品微加工：本项目的一大类实验需要对样品进行微加工。将利用本项目参与单位已有的微加工条件，并在此基础上发展新的具有原子级精度的微加工技术。材料表征：对于上述各种材料，根据所要进行的测试以及开展后续工作所需的要求，使用相应的常规样品表征手段如XRD、SEM、TEM、AFM、电阻率、霍尔电阻等进行表征，研究样品表面及内部晶格结构和相关物性。输运及物性测试：在所得到的样品上利用各课题组已有的和将要发展的测试手段，利用各依托单位的公用设备，在极端条件如极低温、超短时以及强磁场环境下进行量子输运的测量。理论分析和理论模拟：理论成员将积极配合实验组,在两方面开展理论研究：(1)针对实验中提出的问题和观测到的现象，进行理论分析，构造理论模型及进行理论模拟，从而获得深入的理解以推动相关实验的开展；(2)开展理论的前瞻性研究，从理论基础，新现象预言，实验方案设计等方面为实验工作开展方向提供参考。（三）、可行性分析本项目的研究内容和目标是项目组成员经过深入的调研、反复的讨论和论证之后的产物，属于量子输运研究领域的前沿核心问题，具有取得重大突破的可能性。同时，这些研究内容和目标均立足于已有的工作基础，具有高度的可行性。所有成员在各自所要开展的研究内容方面都已经进行了大量的前期工作，积累了许多宝贵的经验，并取得过丰硕的成果。承担本项目的研究队伍中既有已经在量子输运领域做出突出贡献的知名科学家，又有许多身怀绝技、崭露头角的年轻学者。北京大学、中科院物理所和半导体所长期获得科技部、教育部、科学院及基金委的支持，已经拥有了开展本项目研究所需的主要实验设备，为本项目的开展提供了良好的基础。具体而言：（1）在实现低温条件方面，本项目的课题负责人之一杜瑞瑞教授是极低温物理方面知名专家，是国际上少数几个掌握了将样品的电子温度降低到mK量级这一核心技术的专家之一。他的参与保证了本项目在建设极低温量子输运研究平台的成功。（2）在有关超高迁移率二维电子气的研究方面，项目组成员与美国普林斯顿大学的LorenPfeiffer有长期稳定的合作关系，可以获得目前世界上最好的超高迁移率样品。杜瑞瑞教授和骨干成员林熙在量子霍尔5/2态的研究上有丰富的经验，杜瑞瑞教授领导的研究组则是微波辐射下二维电子气中零电阻效应的发现者。这些条件和基础保证了相关研究能在国际上处于领先地位。（3）在实现和完善原子层厚度金属薄膜和石墨烯的可控微加工工艺方面，骨干成员何坷可以提供所需的原子层厚度金属薄膜样品。物理所的微加工实验室拥有的大量微加工设备，如EBL、RIE、FIB，可进行各种微纳尺度图形的加工，完全可以满足本项目对样品微纳加工的需求。邱祥冈和张广宇两位研究员具有长期进行样品微纳加工的经验，分别在超导薄膜和石墨烯的可控微加工方面有独特的专长，并已在相关的研究领域取得了引人注目的成绩。（4）在实现超高时间分辨的扫描隧道显微技术方面，骨干成员江颖在WilsonHo小组工作期间参与了世界上首台超快激光和STM组合的搭建，掌握了一套完整的技术。骨干成员孙栋则在世界上较早利用超快光研究了石墨烯中的载流子动力学过程。这些积累将保证相关研究的顺利完成。（5）在半导体自旋-轨道耦合效应的实验研究方面，陈涌海研究员长期从事半导体材料中自旋-轨道耦合效应的研究，曾经作为首席科学家主持国家973项目《新型半导体低维结构材料物理》，具有长期的工作积累。在理论方面，本项目首席科学家牛谦教授长期研究自旋-轨道耦合效应及其对量子输运的影响，在反常霍尔效应和自旋霍尔效应方面的工作享有国际声誉。这些积累将保证本项目这方面的研究顺利开展。（四）、创新性及特色1.创新点(1)在要进行量子输运测量的样品上同时制备一个量子点，利用其库仑阻塞信号精确确定该样品的电子温度。精确确定电子温度一直是量子输运测量中的一个技术难点，过去通常采用间接的方法。(2)利用Fabry-Perot干涉原理，确定量子霍尔5/2态非阿贝尔统计的存在性。相比理论上提出的基于Mach-Zehnder干涉原理的方案，我们的方法更容易在实验上实现。(3)在超高真空环境中，生长具有原子尺度量子结构的金属薄膜样品，对其进行原位量子输运测量，来解决这类样品与空气接触后易变质的难题。(4)利用磁场和具有对称性较低的人工结构来调控超导波函数行为，以模拟凝聚态物理中的一些重要物理现象如Hofstadterbutterfly、二维Mott绝缘体等。为研究一大类复杂凝聚态物理现象提供了新途径。(5)将超快测量技术和扫描隧道显微术结合，得到超高时间分辨的量子输运测量技术，使得纳米/亚纳米尺度的超快量子输运研究成为可能，例如可以实时跟踪电子在通过量子点或单分子时的量子动力学过程。(6)通过量子结构设计和应变来实现对能带自旋劈裂和电子自旋行为的调控。目前国际上主要采用电场通过Rashba效应来调控能带自旋劈裂。2.特色（1）从影响量子相干输运过程的温度，空间和时间尺度，材料特性等基本要素出发，全面开展极端条件下量子输运的研究。（2）充分利用项目组成员已有的在样品生长（如原子层厚度金属薄膜、石墨烯）、微加工等方面的特色设备以及经验优势来开展相关研究。（3）本项目有两位中组部千人计划的入选者，他们在量子输运研究领域的实验和理论方面分别享有很高的国际声誉。在本项目中不但起到了领军作用而且起到了桥梁作用，比如得到LorenPfeiffer的超高迁移率样品，为本项目的顺利开展提供了保证。（4）本项目组织了一只强大的理论队伍，可以为本项目相关实验的开展提供理论支持，更加透彻地理解相关实验现象。在实验的帮助和启示下，将可能提出新概念和发展新理论。

四、年度计划研究内容预期目标第一年（1）以购置的稀释制冷机系统为核心，建设包括低温制冷机、强磁体和高频调控谱仪等配套设施的综合极端条件量子输运测量系统。（2）探索各种原子层厚度的金属薄膜的制备方法，发展在此类样品上进行微加工的工艺，制备出各种几何图形来进行电输运测量。（3）制备单层、两层、和三层的高质量石墨烯材料并将其定位于Si/SiO2基底之上；在碳化硅和氮化硼等单晶基底上外延石墨烯，摸索优化的生长工艺；利用气相等离子体各向异性刻蚀技术处理石墨烯样品，研究各向异性刻蚀机理和刻蚀的可控性，为后期加工提供各种工艺参数。（4）在双层石墨烯CVD生长中引入大连续域单层石墨烯两步法CVD生长技术,调节各种生长参数优化双层石墨烯的生长质量。（5）石墨烯样品制备和清洁处理研究，包括力学解理，碳化硅热裂解和金属上CVD生长的方法等；低温SYM系统的安装调试。（7）完善现有的超导磁体强场低温测量系统，提高控温精度及稳定性；研制超高真空原位电输运测量系统。（8）针对超快激光和扫描隧道显微镜相耦合还存在的技术难题，设计高稳定性的光学兼容扫描隧道显微镜探头，并开始零部件的采购。（9）设计表面光催化超快动力学装置，采购相关的零部件，加工真空腔体和部件；采购、安装激光器；进行光学部分的设计。（10）在双层石墨烯CVD生长中引入大连续域单层石墨烯两步法CVD生长技术,调节各种生长参数优化双层石墨烯的生长质量。（11）石墨烯样品制备和清洁处理研究，包括力学解理，碳化硅热裂解和金属上CVD生长的方法等；低温SYM系统的安装调试。（12）摸索简捷的获取单层或特定层数的样品的方法。（13）研究低维小体系在电压突变时，瞬时电流的发热规律。（14）光照对GaAs基量子结构圆偏振自旋光电流的影响；搭建圆偏振自旋光电谱测量系统。（14）GaN基异质结构材料的MOCVD生长和样品微加工,完善强磁场、超低温磁输运测量系统。（15）建立和完善必要的低温强磁场综合物性测试平台、原子尺度上优化纳米尺度样品的生长工艺，发展超导和铁磁纳米电极的制备工艺以及微纳加工工艺。初步开展一维和二维尺度下拓扑绝缘体p-n结器件的制备和在超导Al、铁磁Co电极下的量子干涉效应研究。（16）石墨烯样品制备和清洁处理研究，包括力学解理，碳化硅热裂解和金属上CVD生长的方法等；低温SYM系统的安装调试。（16）采用第一性原理方法，研究石墨烯材料引入各种金属、非金属原子杂质对薄膜电子结构、磁性和输运性质的影响。（1）实现实验室的基本功能，比如冷却水、压缩空气、工作台和基本工具配置。建立电磁噪声屏蔽室和减震台。搭建稀释制冷机所需的升降辅助设备。完成稀释制冷机的基本安装。（2）成功制备几种具有几个甚至单个原子层厚的金属和超导薄膜。能够在此类薄膜上制备出简单的微加工图案并测量得到初步的结果。（3）生长出大连续域双层CVD石墨烯。（4）制备单层或特定层数的MoS2和WS2并完成相关表征。（5）获得大面积，空位缺陷少，干净的单层石墨烯。（6）深入理解各向异性刻蚀的物理机制，得到标准的可重复的石墨烯的各向异性刻蚀方法，为下一步石墨烯纳米结构的可控加工做好准备。（7）实现在超高真空中原位测量材料的电输运性质。（8）理解杂质原子对石墨烯薄膜的电子结构的影响与调制。（9）完成光学兼容的扫描隧道显微镜的设计和零部件采购。（10）完成表面光催化超快动力学装置的设计及零部件的采购。（11）建立与时间分辨隧道显微谱仪密切相关的含时第一性原理计算模拟方法。（13）揭露低维小体系在通电流时瞬态发热规律。（14）初步掌握光照调控能带自旋分裂的机制；建成圆偏振自旋光电流谱测试系统。（15）制备出高质量AlGaN/GaN异质结构样品，通过SdH振荡测量，探测异质结构中2DEG的朗道能级分裂、Zeeman分裂和零场自旋分裂及其相互作用关系。（16）得到高质量的单晶拓扑绝缘体薄膜、纳米线和p-n结，实现稳定的Al、Co金属接触，在Al、Co电极与拓扑绝缘体异质体系中发现新的物理效应。发表相关学术论文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申报专利1－2项。第二年（1）继续调试稀释制冷机，利用其获得所需的极低温环境。（2）在高迁移率的GaAs异质结样品构建量子点，利用其库仑阻塞效应来标定样品中的电子温度。（3）搭建用于驱动二维电子气的高度可调微波辐射源。（4）完善加工工艺并初步加工石墨烯纳米结构。包括完善气相等离子体各向异性刻蚀技术各种工艺参数，研究各种工艺参数对边缘结构及刻蚀速度等的影响，初步设计和加工可控的石墨烯纳米结构。（5）结合扫描隧道谱、角分辨光电子能谱和原位输运测量，初步探索各种原子层厚金属薄膜的局域化、超导、磁电阻等输运性质，对掺杂导致的局域化和超导电性之间的关系，原子层厚超导薄膜中的超导涨落以及长程位相相干进行研究。探索原子层厚金属薄膜的保护方法。（6）研究衬底，不同层数和点空位缺陷对石墨烯电子能态的影响。（7）光学扫描隧道显微镜扫描探头的整合和搭建；制作超高真空腔体；制作扫描隧道显微镜控制电路；开始搭建超快激光和微弱光探测系统。（8）完成光催化超快动力学装置真空部分的安装、调试、优化；完成光学部分的安装、优化；获得表面双光子光电子谱，尝试在大气条件下获取表面和频光谱。（8）制作基于各种样品的电子器件或者光电子器件的纳米加工,以及一般的double-gatedsourceanddrain等对样品表征有帮助的中间器件。（9）结合纳米加工的电极,进行时间分辨的中远红外和钛赫兹的光电流的测量。（10）研究飞秒与原秒脉冲激光下磁性、非磁性探针与吸附和掺杂石墨烯纳米结构的耦合效应。（11）从理论上研究低维体系(如量子点、石墨烯等)在超短时间内的瞬态量子输运规律。（12）界面对低维量子体系的能带自旋分裂的影响及其实验表征；搭建远红外的圆偏振自旋光电流系统。（13）栅压对GaN基异质结构低温磁输运的影响。（14）发展Nb、Ni等新的超导与铁磁电极微纳米加工工艺，研究超导铁磁电极在纳米拓扑绝缘体体系中的普适性，以及基于此的量子计算器件与自旋电子器件。（15）非金属体系杂质散射对电子输运的影响理论研究。（1）对稀释制冷机进行降温调试，使系统最低温度达到10mk以下。（2）利用量子点的库仑阻塞效应完成电子温度计的制备。（3）完成能有效耦合样品中二维电子气的高度可调微波辐射源。（4）得到一套完善的具有确定晶提取向和zigzag边缘结构的石墨烯的可控加工技术，实现可重复的、可调控的石墨烯纳米结构加工。包括：石墨烯量子点、宽度10纳米左右的纳米带、及二维周期超晶格（微米尺度周期）结构等的可控加工。（5）初步得到原子层厚金属薄膜电子结构和输运性质的关系。得到随着掺杂浓度的改变局域超导电性发生改变，得到一个不能观察到局域超导能隙的临界掺杂浓度。为原子层厚金属薄膜找到合适的保护层材料，实现原位测量和非原位测量结果的一致，排除环境对非原位测量结果的影响。（6）完成光学兼容扫描探头的制作；完成超高真空腔体的制作；完成扫描隧道显微镜控制电路的制作；完成超快激光和微弱光探测系统的搭建。（7）初步完成光催化超快动力学装置的研制。（8）获得适合于超快光谱研究的中间样品。（9）研究得到石墨烯光探测器的钛赫兹和红外响应。（10）揭示隧道电子的电荷与自旋转移与分布的瞬态规律。（11）发现一些新奇的瞬态量子输运现象。（12）阐明界面对自旋轨道耦合的影响及其表现形式；建成基于CO2激光的圆偏振自旋光电流测量系统；（13）解决栅漏电问题，制备出带栅结构的AlGaN/GaN异质结Hall-bar样品，并通过改变磁场角度等方法，研究GaN基2DEG自旋分裂的各向异性；（14）得到系统可信的结果，为下一步研究吸附原子的影响提供准确的比较基准和可控的调制手段。（15）发现各种超导铁磁电极在不同拓扑绝缘体异质结构中的普适物理效应，利用这些效应建立新的物理模型，并基于此开发新的量子计算与电子自旋器件。（16）完成可以有效地处理非金属体系杂质散射对电子输运的影响的程序包。发表相关学术论文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申报专利1－2项。第三年（1）在之前制备的量子点电子温度计的指导下，继续调试稀释制冷机，尽量降低样品中电子的温度。（2）在高迁移率的GaAs异质结样品上制造器件，实现量子点接触。（3）安装扫描霍尔显微镜(ScanningHallprobemicroscope,SHPM),用来观察微波辐射下二维电子气中可能存在的电流畴。（4）尝试利用利用自组装和微加工的手段在金属和超导薄膜中加入各种空间调制，制成各种亚微米、纳米结构。（5）完善电子束光刻和扫描探针nanolithography技术，精确加工具有原子级齐整的zigzag边缘结构的石墨烯纳米结构，用于量子输运器件的石墨烯样品的可控加工和器件的制备。（6）利用各种非原位测量手段对原子层厚金属薄膜中的量子输运现象进行深入的研究。探索利用掺杂、场效应等手段对薄膜电子结构、化学势、杂质浓度进行调控。（7）氢原子在石墨烯上的吸附过程及其控制。（8）初步研究石墨烯纳米器件的电输运特性。研究石墨烯与金属电极的接触问题，寻找近欧姆接触的电极材料。（9）第一性原理和多尺度模拟研究在原子层厚度薄膜上加入各种空间调制（原子台阶、人工周期性结构）结构对薄膜电子结构和性质的影响。（10）集成扫描隧道显微镜和超快激光系统，并利用模型系统对该设备的各项性能进行测试。（11）开展超高真空条件下TiO2表面有机分子，如甲醇等的表面振动光谱，并进一步优化系统；改进真空部分和光学部分的匹配；进行超快时间分辨表面振动光谱的研究，并继续对系统改进和完善。（12）利用强钛赫兹源研究石墨烯以及石墨烯等材料和相关器件在钛赫兹的响应,钛赫兹的高阶非线性效应，研究二维体系的特殊性质。（13）利用超快红外和钛赫兹泵浦探测的方法研究石墨烯等材料和器件的热电子动力学研究,电声耦合研究以及各种纳米加工工艺对器件的性能的影响。（14）研究单轴应变、电场等GaAs基、GaSb基量子体系的圆偏振自旋光电流和能带自旋分裂的调控作用，研究半导体异质结构电流诱导自旋极化效应的微观物理机制。（15）继续进行不同栅压下的GaN基异质结构进行磁输运测量，进行自旋光电流谱和单轴应变实验，研究自旋轨道耦合系数与应变和压电极化效应的定量关系。（16）通过SdH振荡磁输运测量，结合其他磁性测量手段，研究ZnO基异质结构中的输运。（17）系统探索各类超导和铁磁纳米电极与单晶拓扑绝缘体纳米结构原子尺度上的接触工艺，在极端条件下系统开展各类电极对拓扑绝缘体物性影响的电输运测试。（18）理论探索利用闪锌矿结构中的一些强自旋极化材料来改变Fe/GaAs自旋注入结构中的界面输运性质。（1）利用量子点电子温度计确定系统最低电子温度，实现电子温度不高于20mK。（2）完成在高迁移率的GaAs异质结样品上构建量子点接触。（3）完成扫描霍尔显微镜（SHPM）的安装调试，以及其和稀释制冷机的整合。（4）得到稳定的原子层厚金属和超导薄膜的微加工工艺。（5）得到加工线宽小于10nm，周期性小于100nm的石墨烯纳米结构。结合湿法刻蚀技术；制备悬浮石墨烯纳米结构样品，得到干净的、迁移率高的纳米石墨烯样品，用于加工各种石墨烯纳米器件。（6）获得原子层厚金属薄膜全面的物理性质。实现对薄膜电子结构、化学势、杂质浓度的控制。对单原子层厚度极限下的超导薄膜样品中的K-T相变以及超导涨落行为有一个初步理解。（7）掌握氢原子在石墨烯上可控吸附的最佳参数。（8）初步实现室温下石墨烯纳米器件的电输运特性的测量。利用单一金属或合金形成接触，使接触电阻低于100m。（9）实现超快激光与扫描隧道显微镜的耦合，完成对系统的性能测试，并初步开始正常运行和数据采集。（10）完成光催化超快动力学装置的研制，建立表面光催化动力学研究的平台，为将来开展更广泛的探索打好基础。（11）了解石墨烯以及石墨烯等材料和相关器件的钛赫兹响应特性。（12）获得石墨烯以及石墨烯等材料电子声子的驰豫和耦合100fs分辨率的超快特性。（13）获得电场影响SIA自旋轨道耦合和能带自旋分裂的实验规律；获得自旋轨道耦合系数与应变和压电极化效应的定量关系。（发表相关学术论文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申报专利1－2项。第四年（1）利用量子点接触，通过隧穿研究5/2量子态，制备其量子干涉仪。（2）利用SHPM观察微波辐射下二维电子气中是否存在电流畴或确认电流畴存在的条件。（3）完善各种石墨烯纳米结构的加工，摸索器件加工工艺，制作石墨烯功能纳米器件。（4）利用低温强场量子输运测量系统研究原子级齐整的zigzag边缘结构的石墨烯纳米结构器件中边缘态对电子和自旋的调控。（5）氢原子/石墨烯体系局域态密度和量子输运的STM和STS研究。（6）利用第一性原理方法研究石各种墨烯纳米结构和人工剪裁的结构的量子限于效应和边缘态效应。（7）系统研究原子层厚金属薄膜物理性质随电子结构、化学势、杂质浓度、形状和尺寸的变化。（8）对原子层厚超导薄膜中的长程位相相干和二维电子态对超导物性的影响开展研究。（9）利用超高时间分辨扫描隧道显微术研究半导体表面电子-空穴对复合的超快动力学过程。（10）研究醇类分子在TiO2表面上的各种超快动力学过程。（11）在强磁场等特殊条件下的石墨烯纳米带中进行全光双色相干调控实验,通过对弹道电子辐射的钛赫兹的探测,研究弹道电子的输运过程。（12）研究应变下电荷与自旋在石墨烯与拓扑绝缘体表面的瞬态分布过程。（13）研究GaAs基、GaSb基等半导体量子体系的圆偏振自旋光电流光谱及其随量子结构参数的变化。（14）继续进行AlGaN/GaN异质结的自旋光电流谱和单轴应变实验，继续进行研究ZnO基异质结构中的低温磁输运输运。（15）探索拓扑绝缘体纳米材料表面原子尺度的形貌、结构、物性等对一维和二维异质结构的电输运影响，开展强磁场极低温高压下的一维及二维量子输运测试，探索单晶纳米管的生长制备工艺以及异质结构的电输运研究。（16）研究实际材料中的电流－自旋纽矩相互作用。（1）完成制备一系列不同尺寸的高质量量子干涉仪；为后续关键研究提供坚实的基础。（2）在实验上确认微波辐射下二维电子气中是否存在电流畴；如果存在，进一步确认电流畴受什么因素影响，有什么有趣的性质；结合理论澄清微波辐射下二维电子气中零电阻的起源。（3）实现可控加工具有确定晶体取向和zigzag边缘结构的石墨烯单电子量子点器件、场效应管器件、自旋极化的量子器件、室温下的弹道输运器件、量子霍尔效应器件等。（4）理解尺寸限制效应、边缘态、和二维周期性结构在电子和自旋方面对器件的物理特性的调控。（5）了解原子层厚金属薄膜物理性质随电子结构、化学势、杂质浓度、形状和尺寸变化的规律。（6）掌握原子层厚度超导薄膜中是否存在长程位相相干以及实现的条件，初步了解二维电子的配对机制。（7）阐明氢吸附对石墨烯局域量子输运的微观机制。（8）获得空间分辨的半导体表面电子-空穴对复合动力学过程。（9）获得醇类分子在TiO2(110)表面的光催化动力学，获得表面光激发，电子与声子及表面分子振动之间的耦合等信息。（10）了解光激发弹道载流子在特定条件下输运性质。（11）发现应变下电荷分布、成键、能级漂移、自旋极化等瞬态变化规律。（12）获得SIA和BIA自旋轨道耦合对应的圆偏振自旋光电流谱和自旋轨道耦合系数，及其随量子结构参数变化的规律。（13）基本弄清GaN基异质结构中自旋轨道耦合系数与应变和压电极化效应的定量关系；基本弄清ZnO基异质结构中晶格缺陷及其导致的铁磁性对自旋的影响。（14）获得原子尺度表面态对于拓扑绝缘体纳米异质结构电输运重要影响的证据，制备出基于拓扑绝缘体的新的单晶纳米管，开发新的纳电子器件。发表相关学术论文50篇以上，其中至少有5篇高端文章。申报专利1－2项。第五年（1）利用量子干涉仪研究和寻找5/2量子态中的量子干涉图