分子尺度的量子设计与调控
何谓量子调控？
何谓量⼦调控？量⼦调控就是我们怎么去⼲预分⼦、原⼦等等的运动规律，去为⼈类服务，它让我们更加深⼊、彻底地认识微观世界，是当今科学研究的⼀个技术前沿。
⼆⼗世纪的⽂明实际上是理解和运⽤奇妙的量⼦现象，造福于⼈类，但量⼦理论是否“真实”⼀直有争议从⼩学学⾃然到中学学物理，都学了⼒学。
⼤家知道，⽜顿⼒学所描述的规律是我们⽇常⽣活的尺度上的，实际上宇宙⾮常之⼤，在不同的层次、不同的尺⼨⾥，客体的运动规律是不⼀样的。
⼆⼗世纪理论研究⽅⾯有两个最⼤的发明，就是量⼦论和相对论。
量⼦论怎么发明的？不是⼈凭空想出来的，⽽是有很多实验的规律逼迫我们，如果按照⽼的理论框框就没法理解。
⼆⼗世纪初发⽣了⼏件重要的事情。
⼀个是普朗克提出了⿊体辐射的规律，解决了所谓“紫外灾难”（形容经典理论的困境）的问题；然后爱因斯坦提出了光量⼦的假说，得了诺贝尔奖他得奖不是因为相对论。
后来在1912年丹麦科学家玻尔提出了初步的量⼦理论。
到⼆⼗年代，由于薛定谔、海森堡、狄拉克这⼏位科学家的共同努⼒，创建了量⼦⼒学。
量⼦⼒学跟⽜顿的经典⼒学是⾮常⾮常不⼀样的，那么它⼀个很重要的特征是什么呢？我们知道，粒⼦在运动的时候都有轨迹，就是任何⼀个时刻我们都能说出来这个粒⼦在空间的什么位置，速度是多少。
⽽量⼦⼒学就对此说“不”。
微观的粒⼦是没有轨迹的，海森堡明确提出来叫“测不准原理”，意思就是说⼀个粒⼦，⽐如说在X⽅向当中的坐标达到⼀定的精度，然后测它的动量的话，就有⼀个不确定性，两者不可能同时具有确定的数值。
我们在⽇常⽣活当中感觉不到这个事情，因为⽇常尺度要⼤得多得多，如果我们有办法接近微观世界，到了原⼦、分⼦、电⼦的世界⾥头，那么它就变得⾮常重要。
另外，粒⼦有⼆重性，就是它⼜像粒⼦⼜像波。
波⽐较直观，⽐如说⼀个池塘⾥的⽔波怎么传播，⼤家看得⽐较习惯。
⽽光波有个特性，如果你把⼀个波源放在这⾥，然后中间有两个窄缝，光波通过这两个窄缝继续往前⾛，到⼀定的距离上，⽐如投放到⼀个屏幕上，就会发现有⼲涉的条纹，有的地⽅特别亮，有的地⽅特别暗，这就是它的波动特性的显⽰。
量子调控与量子控制技术
量子调控与量子控制技术量子调控与量子控制技术是近年来备受关注的领域，在量子信息科学、量子计算和量子通信等领域具有重要应用价值。
本文将介绍量子调控与量子控制技术的基本概念、原理及其在实际应用中的意义。
1. 量子调控的基本概念量子调控是指通过外部干预的方式，对量子系统的状态进行精确控制。
在量子力学中，一个量子系统的状态可以用波函数来描述，而量子调控则是通过操作系统的哈密顿量，使得系统的波函数演化到期望的态。
2. 量子调控的原理量子调控的关键在于对系统的哈密顿量进行调节。
在实际应用中，常用的方法包括施加外部场、调节系统参数以及设计合适的量子门操作。
2.1 施加外部场通过施加外部电磁场或磁场等干预手段，可以改变系统的哈密顿量，从而影响系统的演化。
例如，在量子计算中，可以通过施加脉冲场来实现量子比特之间的耦合。
2.2 调节系统参数通过调节系统的参数，如能级间距、耦合强度等，可以改变系统的演化行为。
这种方法在量子模拟等领域有着广泛的应用。
2.3 设计量子门操作量子门是量子计算中的基本操作，通过精确设计不同的量子门操作，可以实现针对特定任务的量子计算。
这是一种更高级的量子调控方式。
3. 量子控制技术的应用意义量子调控与量子控制技术在量子信息科学、量子计算和量子通信等领域具有重要的应用意义。
3.1 量子计算量子计算是一种利用量子位（量子比特）而非经典位进行信息存储和处理的计算方式。
量子调控与量子控制技术是实现量子计算的关键。
通过精确控制量子比特的状态和相互作用，可以进行高效的量子计算。
3.2 量子通信量子通信是一种利用量子态的特殊相关性进行信息传输的通信方式。
量子调控技术可以用于实现量子通信中的量子态准备、量子态传输和量子态测量等关键环节，保证通信中的信息安全性。
3.3 量子模拟量子模拟是使用一个可控的量子体系模拟另一个难以精确模拟的量子体系的行为。
量子调控与量子控制技术可以用于实现复杂系统的模拟，从而在材料科学、生物学等领域提供重要参考。
量子材料的合成与特性调控方法解析
量子材料的合成与特性调控方法解析量子材料是近年来备受研究关注的热门领域，其独特的性质和潜在的应用前景使其成为材料科学领域中的重要研究方向。
在量子材料的合成与特性调控方面，研究人员通过设计合理的合成方法和调控措施，不断推动这一领域的发展。
本文将从量子材料的基本概念入手，介绍量子材料的合成方法和特性调控手段，并探讨其在光电子器件、能源存储等领域的应用前景。
首先，让我们明确什么是量子材料。
量子材料是在纳米尺度下表现出量子效应的材料，其特殊的电子结构和能带调控特性使其具有独特的光电性能。
量子效应包括量子限制、量子隧穿、量子大小效应等，对于纳米尺度材料的性质产生明显影响。
因此，合成和调控量子材料的方法研究具有重要意义。
关于量子材料的合成方法，目前主要有两种常用的途径：一种是自下而上的合成方法，另一种是自上而下的合成方法。
自下而上的合成方法是指通过控制分子水平的组装和生长，逐步形成目标材料。
这种方法需要精确控制材料的分子结构和组装方式，通常采用化学合成和溶液法制备纳米结构。
自上而下的合成方法则是从宏观尺度开始，通过材料工程手段去设计和合成所需材料。
这种方法包括物理镀膜、离子注入、溅射沉积等。
通过这两种合成方法，可以得到具有不同形貌和尺度的量子材料。
同时，对于量子材料的特性调控也是研究的重点。
研究人员通过控制合成条件、改变组分比例、引入缺陷等方法，调控量子材料的结构和性能。
例如，调控量子点材料的尺寸和形状可以调整其能带结构，从而改变其光学性质。
通过引入杂质或软模板等手段，可以改变量子结构的电子传输性质。
此外，通过外加电场、磁场或光场等方式，还可以调控量子材料的输运性质和响应行为。
这些调控策略使得量子材料的性能优化和应用拓展成为可能。
量子材料的特性调控不仅对基础科学研究具有重要意义，还在实际应用中展现出了广阔的前景。
例如，在光电子器件领域，量子点材料被广泛应用于发光二极管、激光器、太阳能电池等器件中。
通过调控量子点的能带结构和光学性质，可以实现发光颜色的调控和效率的提升。
物理学中的量子调控
物理学中的量子调控量子力学是现代物理学的重要分支之一，它研究微观粒子的行为规律。
量子力学理论的建立对科学技术的发展有着非常重要的作用。
与古典物理学不同，量子力学通过量子态的描述，创造了一种新型的信息处理和量子控制的方法论。
在量子控制中，量子调控 (quantum control) 技术显得尤为重要。
量子调控是指对量子系统可控干涉的研究，它可以被描述为：对于具有特定信息的量子系统，通过人为设计和操作，实现对其演化、态制备、态转移、干涉等行为的精确控制。
量子控制技术已经在大力导引、量子计算、量子通信、量子模拟等诸多领域得到广泛的应用。
量子调控技术的研究物理学家们针对着不同的量子调控问题进行了广泛的研究。
其中，最重要的一个问题是如何通过外界场的调控，实现量子态的转移和制备。
这个问题的研究在 1980 年代中期开启了，之后又得到了快速的发展。
在实验室中，物理学家们通过操纵制备的量子态，掌握了量子干涉的基本规律。
常用的量子态制备方法有：拉比振荡、广义拉比振荡、退相干、量子控制撤除、等离子激发等。
在制备的过程中，物理学家们需要灵活地调整外界场的幅度、频率、相位等参数，以实现对量子态的精确控制。
对于需要实现有限制康普顿干涉的量子系统，物理学家们需要设计一种非常特殊的干涉方案。
这个方案需要在入射的粒子与散射的粒子之间，以及入射粒子在样品内部的传输路径上制造一个相干交叉点。
这个方案的实现，需要使用到数学方法、量子场论、以及微观电子学等多个交叉领域的知识。
最终，这个方案得以成功实现，并在有限制的康普顿干涉过程中，达到了比合成光栅更高的分辨率。
另一个重要的研究问题是如何实现量子计算的控制。
对于一些常见的量子计算模型，如逻辑田形门 (Toffoli) 门、互换门、控制相移门等，量子调控技术都可以实现。
通过精确地控制量子态的演化，可以把多个单比特门和单量子比特门实现一个复合量子门，实现精确的量子逻辑运算。
激光在量子调控中的应用激光是实现量子调控的有力工具。
国家重大科学研究计划2011年项目清单
中国人民解放军军事 中国人民解放军总后勤 医学科学院放射与辐 部卫生部 射医学研究所 中国医学科学院肿瘤 卫生部 研究所 厦门大学 中国科学院上海生命 科学研究院 教育部 中国科学院 上海市科 学技术委员会
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项目编号
项目名称
项目首席 科学家 谭蔚泓 张荣光 何力新 潘建伟 杨金龙 刘伍明 张卫平 王玉鹏 沈健 段文晖 陈鸿 邢定钰 林海青
项目编号
项目名称
项目首席 科学家 郭良宏 张毓 张雁云 丁建平 郭维栋
项目第一承担单位 中国科学院生态环境 研究中心 北京大学 中国科学院上海生命 科学研究院 中国科学院上海生命 科学研究院 南京大学
项目依托部门 中国科学院 教育部 中国科学院 上海市科 学技术委员会 中国科学院 上海市科 学技术委员会 教育部
2011CB964800 造血干细胞维持、衰老与再生的调控机制研究 2011CB964900 干细胞分化表观遗传学调控及其治疗糖尿病应用基 础研究
2011CB965000 三维培养干细胞自我更新与定向分化的调控网络 2011CB965100
人多能干细胞多能性维持和发育潜能差异的系统研 康九红 同济大学 究 不同组织与疾病来源的 iPS 多能性差异及其调控的 Miguel 中国科学院广州生物 2011CB965200 分子机制研究 Esteban 医药与健康研究院 2011CB965300 干细胞分化与重新编程中蛋白质的结构与功能研究 2011CB915400 高等植物蛋白质修饰与降解调控的分子机理研究 2011CB915500 重要生理功能和重大疾病相关蛋白质研究公共资源 库建设 孙方霖 谢旗 何大澄 陆卫 危岩 高明远 陈军 清华大学 中国科学院遗传与发 育生物学研究所 中国科学院生物物理 研究所 中国科学院上海技术 物理研究所 清华大学 中国科学院化学研究 所 南开大学
物理学中的量子调控技术发展趋势
物理学中的量子调控技术发展趋势量子调控技术是一项重要的物理学研究领域，它对于理解量子现象和发展量子计算机等方面具有重要意义。
在过去的几十年中，物理学家们一直在不断地探索量子调控技术的发展趋势，以便更好地应用于实际生产和生活中。
一、量子调控技术的基本原理量子调控技术是指控制量子态的演化以实现特定目的的技术。
在这个过程中，物理学家们需要通过量子操控来调节量子系统的状态，并且需要了解量子状态的演化方式和如何对其进行测量。
量子调控技术的基本原理是利用微观粒子（如电子、离子和光子等）的量子特性来进行信息处理。
二、量子调控技术的应用量子调控技术可以应用于许多领域，包括量子计算、量子通信和量子传感器等。
1. 量子计算量子计算指的是使用量子比特来处理信息的计算方法。
与传统计算机不同，量子计算机能够利用并行处理的优势来解决复杂问题。
量子调控技术是实现量子计算的重要手段之一。
2. 量子通信量子通信是通过量子态来传输信息的通信方法。
由于量子态的特殊性质，量子通信具有高度的安全性和保密性。
量子调控技术是实现量子通信的基础技术。
3. 量子传感器量子传感器是利用量子系统的特殊性质来进行精密测量的仪器。
由于量子态对外界干扰的敏感性，量子传感器具有极高的精度和灵敏度。
量子调控技术是实现量子传感器的核心技术。
三、量子调控技术的发展趋势随着量子计算、量子通信和量子传感器等领域的不断发展，量子调控技术也在逐渐完善。
下面列举了相关领域的发展趋势：1. 量子计算的发展目前，量子计算领域的关键技术之一是量子纠缠。
未来，研究人员将进一步探索量子纠缠的性质和应用，以实现更加高效的量子计算。
另外，物理学家们还在探索新的量子比特实现方法，以提高量子计算机的性能和稳定性。
例如，磁微波量子比特是一种新型的量子比特实现方法，它的优点在于操控单个量子比特的能力更强，从而减少了量子计算机的误差率。
2. 量子通信的发展在量子通信领域，量子密钥分发是一项重要的技术，它能够保证通信的安全性和保密性。
量子调控研究
量子调控研究一、量子计算的物理实现和关键量子器件量子计算具有很强的并行处理数据能力，采用适当量子算法可以解决现有电子计算机无法实现的某些难解问题，如大数因子分解和量子体系演化的模拟等。
目前量子计算无法实现的主要瓶颈是尚未找到适合于制作量子计算机的物理体系。
本方向重点研究基于量子点和线性光学的量子计算，以及关键的量子器件。
申请者可选择以下部分内容：1．基于量子点量子计算的物理实现2．连续变量线性光学的量子计算3．冷原子系综的量子信息存储和处理4．可控单光子源5．单光子探测原理和技术二、关联电子态研究和新型信息载体探索关联电子系统中电荷、自旋、轨道等自由度和有序相之间存在复杂的共存与竞争关系，通过调节外界参量，可以实现不同有序相之间的转换和调控，由此导致新的量子临界现象。
这些新的量子态具有许多非寻常的特性。
研究这些新奇量子态的性质，寻找新的信息载体，探索新的信息传输过程和调控机制，可以为开发下一代信息技术打下物理基础。
申请者可选择以下部分内容：1．在半导体、铁磁/半导体、稀磁半导体/半导体结构中自旋产生、注入和调控的物理原理，发展适合器件应用的自旋极化产生与注入的有效方法，探索自旋电子器件。
2．关联系统中多种有序相之间的竞争和量子相变，包括电子或原子的电荷密度、自旋和轨道自由度的相互作用与竞争所导致的非常规超导态及赝能隙效应；冷原子系统中的玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)及BCS-BEC转变；电荷与自旋的量子霍耳效应；超流体、金属与绝缘体之间的相变；重费米子体系中的量子相变现象等。
研究低维电子系统中由于量子涨落和量子相干导致的基态简并、阻挫、纠缠、序竟争和量子相变，探索实现量子调控的可能途径。
3．探索和制备具有新奇量子特性的新材料，发展新的实验测试手段。
要注重和加强过渡金属氧化物、镧系和锕系化合物, 巨热电效应材料、巨光学非线性材料、超导、半金属（half metal）材料等新材料的探索。
4．发展有效的解析和数值研究方法，紧密结合实验研究，探索微观关联系统的物理规律，预测材料的结构和物理性质及其相互关系，预言新的实验现象，为新奇量子现象的探索和新型功能材料的开发应用提供科学依据，指导新材料和新器件原理的探索。
量子调控的物理实现原理及其应用
量子调控的物理实现原理及其应用量子调控，顾名思义，是指对量子态进行控制的能力。
自从量子力学问世以来，人们便开始探索量子态的性质，并努力寻找更多的量子调控方式。
量子调控不仅是基础物理研究的重要方向，也被广泛应用于量子计算、量子通信等领域。
本文将介绍量子调控的物理实现原理及其应用。
一、量子调控的实现原理量子调控是指对量子态进行控制，包括改变其态矢量，以及控制量子态的演化过程。
对于一个量子体系，其态可以用一个复数向量表示，称为态矢量。
量子调控的目标是改变态矢量的值，以满足研究的需要。
最常见的量子调控方式是通过恒定外势场的调节来实现。
在外势场的影响下，量子态的演化可用薛定谔方程描述。
通过改变外势场强度、方向等参数，可以改变量子态的演化，从而实现量子调控。
例如，在一个由两个互相依存的量子比特组成的体系中，可以通过调整耦合强度、频率等参数，来控制两个量子比特之间的相互作用。
此外，量子调控还可以通过激光等局域性控制手段实现。
这种方法的基本思路是，通过针对性的光脉冲，控制量子态的演化。
例如，在一个由铷原子组成的量子气体中，可通过激光束的辐照，使得铷原子发生布洛赫振荡，从而实现对铷原子量子态的控制。
总之，不同的量子调控方式各有优缺点，实际应用中需根据具体情况加以选择。
二、量子调控的应用量子调控的应用广泛，其中最具代表性的应用包括量子计算、量子通信、精密测量和量子仿真等领域。
量子计算是利用量子态的重复性，来进行类似于传统计算的逻辑运算的一种计算方式。
在量子计算中，量子态的演化过程扮演了非常重要的角色。
只有对量子态进行精确地调控，才能实现量子计算过程中所需的量子操作。
因此，量子调控作为量子计算的基础研究方向，为量子计算的研究提供了强有力的理论和实验基础。
量子通信是指利用量子物理学原理保障信息传输的一种通信方式。
在量子通信中，信息的传输过程中涉及到量子态的确认、准备、传输和解码等操作，而量子调控在其中担任了至关重要的作用。
量子调控与量子传感技术
量子调控与量子传感技术量子调控与量子传感技术在当今科技领域中扮演着重要的角色。
它们是基于量子力学原理的技术应用，可以实现对原子、分子和凝聚态系统的精准操控和测量。
本文将介绍量子调控与量子传感技术的原理和应用，并探讨它们对于科学研究和实际应用的重要性。
一、量子调控技术量子调控技术是一种通过外部控制手段，对量子系统的能级结构和相互作用进行调控的技术手段。
它是基于量子物理学中的弱测量和强测量理论，通过光场的相位、频率、强度等参数的精确控制，可以有效地改变和操控原子和分子的量子态。
量子调控技术在量子计算、量子通信和量子模拟等领域有广泛的应用。
例如，在量子计算中，通过调控量子比特的能级结构和耦合强度，可以实现量子门操作和量子纠缠，从而提高量子计算的效率和可靠性。
在量子通信中，通过调控光子的量子态可以实现量子密钥分发和量子密码传输，保证通信的安全性。
在量子模拟中，可以通过调控量子系统的相互作用和哈密顿量，实现对复杂量子系统的模拟和研究。
二、量子传感技术量子传感技术是一种利用量子特性进行高精度测量的技术手段。
它可以通过对量子系统的精确控制和测量，实现对弱信号的高灵敏度检测和精确测量。
量子传感技术在精密测量、地球物理学和生物医学等领域有广泛的应用。
例如，在精密测量中，通过对光的相位、频率和强度进行精确调控和测量，可以实现高精度的时钟和惯性测量，推动时间频率标准的发展和精度的提升。
在地球物理学中，利用量子传感技术可以实现对地球重力和地磁场的高灵敏度测量，为地质勘探和自然灾害预警提供准确的数据支持。
在生物医学中，通过对生物体内的量子特性进行测量，可以实现对生物分子的高灵敏度检测，为肿瘤早期诊断和药物研发提供重要参考。
三、量子调控与量子传感技术的重要性量子调控与量子传感技术的发展对于科学研究和实际应用具有重要意义。
首先，它们为量子信息科学和量子技术的发展提供了有效的手段和方法。
通过对量子系统的调控和测量，可以实现对量子比特和量子态的操控和测量，为量子计算和量子通信等领域提供关键技术支持。
分子尺度计算方法
分子尺度计算方法分子尺度计算方法是一种过程，涉及到分子的力学和化学性质的计算，它是现代分子科学的基础。
目前，分子尺度计算方法已经成为了理论计算和实验研究的必备环节。
下面我们来详细讲解一下分子尺度计算方法。
一、分子尺度计算方法的种类分子尺度计算方法的种类有很多，其中比较常用的有以下三种：1.量子力学方法：量子力学是一个重要的计算方法，它可以用来计算分子的电子结构、电子态和电磁性质等。
2.经典力学方法：经典力学是一种经典的计算方法，它可以用来计算分子的各种力学性质，如物理和化学性质。
3.分子力学方法：分子力学方法是一个基于经典力学的方法，可以用来计算分子的结构和机械性能等。
二、分子尺度计算方法的应用分子尺度计算方法可以应用于很多领域，包括生物、材料、化学、物理等。
其中，生物领域是分子尺度计算方法的重要应用领域。
1.在生物医学领域，分子尺度计算方法可以用来研究生物分子的三维结构，并从中分析生物分子的功能。
2.在材料领域，分子尺度计算方法可以用来研究材料的性质和性能，从而设计和制备更好的材料。
3.在化学领域，分子尺度计算方法可以用来研究分子间的相互作用和反应过程，从而预测和解释化学反应的机制和副反应。
4.在物理领域，分子尺度计算方法可以用来研究分子之间的电子转移和电磁性质，从而建立新的理论和发现新的性质。
三、分子尺度计算方法的优势分子尺度计算方法有很多优势，这里列举几个比较重要的：1.节约时间和成本：分子尺度计算方法可以用来模拟分子的结构和性质，避免实验中要进行大量反复的测量和分析，从而节省时间和成本。
2.提供理论指导：分子尺度计算方法可以用来预测和解释实验结果，从而提供理论指导，促进科学研究的进展。
3.带来新的认识和发现：分子尺度计算方法可以用来模拟分子之间的相互作用和反应过程，从中发现新的性质和现象，从而带来新的认识和发现。
四、分子尺度计算方法的应用案例分子尺度计算方法的应用案例很多，这里举几个例子：1.在药物开发领域，分子尺度计算方法可以用来研究药物与受体之间的相互作用，从而设计出更优秀的药物。
量子调控和量子模拟技术
量子调控和量子模拟技术量子调控和量子模拟技术是当今量子科学领域的两个重要研究方向。
它们的发展为我们理解和利用量子系统提供了新的途径。
本文将从理论和实验两个方面，对量子调控和量子模拟技术进行探讨。
一、量子调控技术量子调控技术是指通过控制量子系统的演化，实现对其态和动力学行为的精确操控。
这种操控可以通过外部场的作用，或者通过调节系统内部的相互作用来实现。
量子调控技术在量子信息处理、量子通信和量子计量等领域具有重要应用。
在量子调控技术中，最常见的方法是通过外部场的作用来实现。
例如，我们可以通过调节外部磁场的强度和方向，来控制自旋系统的演化。
这种方法被广泛应用于核磁共振等实验中。
另一种常见的方法是通过调节光场的参数来实现量子调控。
例如，我们可以通过调节激光的频率和强度，来控制原子的内外层电子的跃迁。
这种方法被广泛应用于光谱学和量子光学实验中。
除了外部场的作用，量子调控技术还可以通过调节系统内部的相互作用来实现。
例如，我们可以通过调节两个自旋之间的耦合强度，来实现对它们之间的纠缠和耦合的控制。
这种方法被广泛应用于量子计算和量子通信中的量子门操作。
另一种常见的方法是通过调节系统的能级结构来实现量子调控。
例如，我们可以通过调节超导量子比特的能级结构，来实现对其态的操控。
这种方法被广泛应用于超导量子计算实验中。
二、量子模拟技术量子模拟技术是指利用一种量子系统来模拟另一种量子系统的行为。
通过构建一个与目标系统相似的模拟系统，并通过调节模拟系统的参数，我们可以模拟和研究目标系统的行为。
量子模拟技术在量子化学、凝聚态物理和量子生物学等领域具有重要应用。
在量子模拟技术中，最常见的方法是通过构建一个与目标系统相似的量子模拟器来实现。
例如，我们可以通过构建一个由冷原子组成的光晶格系统，来模拟和研究固体材料中的电子行为。
这种方法被广泛应用于凝聚态物理实验中。
另一种常见的方法是通过构建一个由超导量子比特组成的量子模拟器来实现。
量子点材料的制备和性能调控技巧
量子点材料的制备和性能调控技巧量子点是一种纳米级别的半导体材料，具有独特的光电特性和量子效应。
其高光子学性能和可调控的能带结构使得量子点材料在光电子器件、光催化、生物成像等领域具有广泛应用前景。
本文将探讨量子点材料的制备方法及性能调控技巧。
一、制备方法1. 溶液法制备：溶液法是最常用的量子点制备方法之一。
通常使用有机溶剂中的前驱体在高温下通过热分解或配体的交换反应来制备量子点。
常见的有机溶液法制备量子点的方法有热分解法、相转化法和微波辅助法。
这些方法可以通过控制反应条件（反应温度、反应时间等）和配体选择来调控量子点的尺寸和形貌。
2. 气相沉积法制备：气相沉积法是通过将气态前驱体沉积到基底上形成薄膜，再通过热解或退火的方式生成量子点。
常见的气相沉积法有金属有机化学气相沉积法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）和气相硫化法。
这些方法可以实现对量子点的原子级别精确控制，制备出高质量的量子点材料。
3. 离子注入法制备：离子注入法是通过将离子以高能量注入到单晶或多晶基底中，形成子晶或点阵结构，通过控制注入能量和离子剂量来控制量子点的大小和分布。
这种方法可以在已有的材料基底上制备量子点，使得量子点材料的性能与基底的特性相结合。
二、性能调控技巧1. 外延法控制尺寸：外延法是在基底上由下向上生长量子点的方法。
通过控制生长温度、生长时间和气氛组成等条件，可以实现对量子点尺寸的精确控制。
此外，还可以使用周期性堆栈结构、混合前驱体和共生生长等技术，实现对量子点的形貌和分布的调控。
2. 表面配体修饰：量子点表面的配体修饰可以调控量子点的化学性质、光学性质和稳定性。
通过选择合适的配体，可以调节量子点的能带结构、荧光强度以及与周围环境的相互作用。
常见的配体修饰方法包括配体置换、配体封装和配体交联等。
3. 合成控制杂质浓度：在量子点材料中引入适量的杂质可以调控量子点的能带结构、光谱性质和载流子动力学等。
通过调节杂质的浓度和分布，可以有效地调控材料的光学和电学性能。
量子材料的神奇：量子材料的设计与制备
量子材料的神奇：量子材料的设计与制备量子材料的设计与制备量子材料是一种新型的材料，它具有特殊的电子结构和物理性质，可以应用于信息技术、能源转换和传感器等领域。
量子材料的设计与制备是实现其应用的关键。
本文将介绍量子材料的一些神奇特性，以及如何进行量子材料的设计与制备。
一、量子材料的神奇特性量子材料的神奇之处在于其电子的行为受到量子力学的支配，表现出与传统材料完全不同的性质。
量子材料具有以下几个主要特点：1. 量子纠缠：量子材料中的电子可以纠缠在一起，即一个电子的状态会与其他电子的状态相互关联。
这种纠缠现象使得量子材料具有超导、量子计算和量子通信等潜在应用。
2. 量子隧穿效应：量子材料中的电子可以以概率方式穿过能垒，即在经典物理学中不可能出现的现象。
量子隧穿效应使得量子材料具有高效的能量传输和电子传导特性。
3. 量子霍尔效应：量子材料在低温下可以表现出量子霍尔效应，即电子运动受到限制形成一种沿材料表面的无电阻的电流。
这种量子霍尔效应在制备高精度传感器和高速电子器件方面具有潜在应用。
二、量子材料的设计量子材料的设计是实现其特殊性质的关键。
通过调控材料的结构和化学成分，可以实现对量子材料的控制和优化。
下面介绍几种常用的量子材料设计方法：1. 高通量计算：利用高通量计算方法来搜索潜在的量子材料结构和性质。
通过计算机模拟，可以快速筛选出具有潜在应用的候选材料，并提供有关其电子结构和物理性质的详细信息。
2. 磁控制生长：通过在材料生长过程中引入磁场，可以实现对晶体生长过程的精确控制。
磁控制生长方法可以提供高质量和高晶格匹配度的量子材料。
3. 拓扑工程：通过调控材料的拓扑结构，可以实现对电子运动的控制。
拓扑工程方法可以产生具有独特的输运性质和电子能隙的量子材料。
三、量子材料的制备量子材料的制备需要仔细控制材料的组成和结构，以实现所需的性质。
下面介绍几种常用的量子材料制备方法：1. 分子束外延（MBE）：MBE是一种高真空条件下的材料生长方法，通过分子束的热蒸发和沉积来实现对材料的精确控制。
量子光学中的光子操控与调控
量子光学中的光子操控与调控量子光学是研究光与物质相互作用的一门学科，而光子操控与调控则是量子光学中的一个重要研究方向。
随着量子科学的快速发展，人们对量子光学中的光子操控与调控有了更深入的认识和理解。
光子操控与调控是指利用各种手段对光子进行操作和调控，使其具备特定的性质和行为。
这种操控和调控可以通过改变光子的频率、相位、极化等来实现。
在量子光学中，光子被视为光的基本单位，它具备波粒二象性，可以以湮灭算子和产生算子的形式表示。
通过对这些算子的操作，人们可以实现对光子的操控与调控。
在操控与调控光子的过程中，有几种常见的方式。
其中一种是利用激光与光子相互作用，通过非线性光学效应来实现。
非线性光学效应可以使光子之间相互作用，从而改变其性质和行为。
比如，通过选择性放大或压缩光子的幅度和相位，就可以实现对光子的操控与调控。
这种方式在光子集群中的量子态制备和量子计算中发挥着重要的作用。
另一种方式是通过玻色-爱因斯坦凝聚来实现光子操控与调控。
玻色-爱因斯坦凝聚是指一类低温条件下发生的凝聚现象，其中大量的粒子进入同一个量子状态。
在玻色-爱因斯坦凝聚中，光子的量子性质得到极大程度的体现，因此可以通过控制凝聚体系的物理参数来操控和调控光子。
这种方式在光学通信、量子信息处理等方面有着广泛的应用。
此外，近年来还出现了一种新的光子操控与调控方式，即基于纳米光子学的方法。
纳米光子学是一门研究纳米尺度下光与物质相互作用的学科，它通过纳米结构的设计和制备来实现对光子的操控和调控。
通过改变纳米结构的大小、形状和组合方式，可以实现对光子的局域化、增强和耦合等操作，从而实现对光子的高效操控和调控。
这种方法不仅可以在基础研究中发挥重要作用，还具有广泛的应用前景，如光电子器件、传感器和光学计算等领域。
总之，光子操控与调控是量子光学中的一个重要研究方向。
通过改变光子的频率、相位、极化等方式，利用激光与光子相互作用、玻色-爱因斯坦凝聚、纳米光子学等方法，人们可以实现对光子的操控和调控。
物理学中的量子调控理论
物理学中的量子调控理论在当代物理学中，量子调控理论是一门非常重要的学科。
量子调控理论研究的是如何控制和操作微小的量子系统，以期实现在量子计算、信息和通信领域的应用。
下面，本文将详细介绍量子调控理论的基本概念、技术和应用。
量子调控理论的基本概念量子调控理论是基于量子力学的研究领域，它的核心思想是通过调控量子态来实现量子信息的控制和传输。
在量子计算中，量子比特可以处于多个状态的叠加态，这使得量子计算机比经典计算机更加高效。
因此，量子调控理论被广泛用于开发新型的量子计算机、量子通信和量子雷达等领域。
量子调控理论的技术量子调控理论的技术主要包括两个方面：一是通过外部等效控制实现对“量子比特”的控制，二是通过纠缠态的准备和测量实现“非局域”的信息传输。
具体来说，量子比特可以通过微波、强光、超冷等方式进行调控，实现单比特门、双比特门以及多比特门等操作。
此外，通过利用量子纠缠的特殊性质，可以实现非局域的信息传输和共享，例如，Bell态的准备和测量可以实现两个远距离的比特之间的信息传输。
这些技术不仅有助于提高量子计算的效率，还可以应用于量子通信和量子密钥分发等领域。
量子调控理论的应用量子调控理论已经被广泛应用于量子计算、量子通信和量子探测领域。
其中最重要的应用之一是量子计算。
在量子计算中，与传统的部分位压缩器相比，量子计算机可以在运行任何算法时同时运行所有可能的路径。
具体而言，量子计算的应用实现了量子计算机超越经典计算机的速度优势，包括加速优化、快速傅里叶变换和模拟等领域。
此外，量子通信与经典技术相比，具有更高的安全性和抗干扰性。
在拓扑量子计算机上实现的量子纠缠应用于晶体振动监测和子毫米磁共振成像，这些应用对生物和医疗科学产生了重要影响。
总结量子调控理论是一门非常重要的学科，它为解决许多传统计算方法无法解决的问题提供了新的手段和方向。
通过量子调控技术的研究，可以在数据科学、信息科学和神经科学等领域中提高计算效率，同时也为量子计算机的发展提供了基础。
量子科技技术的原子尺度操控与操作方法
量子科技技术的原子尺度操控与操作方法量子科技是近年来备受关注和研究的热门领域，它的发展将极大地影响着未来的科技应用和人类社会的发展。
在量子科技中，原子尺度的操控和操作是实现量子计算、量子通信和量子传感等应用的关键技术。
本文将探讨量子科技中原子尺度操控与操作的方法，并介绍一些相关的研究进展。
在量子科技中，原子尺度操控与操作是指对单个原子或原子团进行精确的控制和操作，以实现特定的量子态和量子动力学过程。
原子尺度的操控和操作要求对原子的位置、能级、自旋和振动等属性进行精确的调控。
目前，常用的原子尺度操控与操作方法主要包括量子点阵操控、电子束操控和局域电子操控等。
量子点阵操控是一种常见的原子尺度操控与操作方法。
它通常通过扫描隧穿显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）等仪器来实现。
通过在表面上制备规则排列的原子点或分子点，可以实现对单个原子的精确定位和操控。
在操控过程中，可以利用STM或AFM的探针尖端对原子进行垂直操控，也可以利用扫描电场或扫描磁场来对原子进行水平操控。
通过精确的位置控制，可以实现对单个原子的操纵和操作，例如移动、旋转、捕获和释放等。
电子束操控是另一种常用的原子尺度操控与操作方法。
它利用电子束的波动性和干涉效应来对原子进行操控。
通过电子束的散射和干涉，可以实现对原子的定位和操作。
例如，通过调整电子束的入射角度和干涉间距，可以实现对原子的移动和旋转。
通过调节电子束的能量，还可以实现对原子的激发和熄灭，从而实现对其能级和振动的操控。
局域电子操控是一种较新的原子尺度操控与操作方法。
它利用扫描隧穿显微镜中的电势控制和局域电子影响来对原子进行操控。
通过在扫描隧穿显微镜的探针尖端施加电势，可以在原子附近形成局域的电子态，从而实现对原子的位置、自旋和能级的调控。
通过精确的电势控制和局域电子影响，可以实现对单个原子的操纵和操作，例如调整其自旋量子态、操控其振动模式以及调节其相互作用等。
除了以上提到的方法，量子科技中还有许多其他的原子尺度操控与操作方法。
量子材料的性能优化与调控策略
量子材料的性能优化与调控策略量子材料作为一种具有特殊性质和潜在应用前景的材料，一直以来吸引了科学家们的关注。
它们具有量子效应和量子调控的特点，可以在光电子器件、能源存储和信息处理领域等广泛应用。
为了更好地发挥量子材料的性能，科学家们致力于寻找优化和调控策略。
首先，对于量子材料的性能优化，重要的一项策略是改善材料的纯度和晶格结构。
量子材料在制备过程中往往会受到杂质的影响，降低了其性能。
因此，科学家们利用高纯度材料的制备技术，如分子束外延和化学气相沉积等，来提高量子材料的纯度。
同时，通过优化晶格结构，如控制晶格缺陷和界面的形成，可以改变材料的物理和化学性质，提高其性能。
其次，通过调控量子材料的表面和界面的性质，可以实现对其性能的进一步优化。
表面和界面是量子材料与外界环境之间的重要接触区域，其性质直接影响着材料的电子输运、光学和化学反应等过程。
因此，科学家们利用表面修饰和界面调控的方法，如引入表面配体和调节界面能级对齐等，来改变表面和界面的特性，以提高量子材料的性能。
此外，利用异质结构和能带工程也是一种有效的策略，可以通过将不同材料进行堆叠或组合，实现新的性质和功能。
另外，通过外界能量场的调控，可以实现对量子材料性能的调控。
外界能量场可以通过光、电场和磁场等方式对量子材料进行刺激，从而改变其电子结构和输运特性。
其中，光场作为一种非接触式和高时间分辨的调控手段，被广泛应用于量子材料的探究和调控中。
通过选择合适的激光波长和能量，可以实现对量子材料中的电子激发和传输过程的调控。
此外，还可以利用电场和磁场对材料进行定向调控，通过调整外部场的大小和方向，来实现对量子材料的性能优化。
最后，基于计算模拟的方法也是实现量子材料性能优化和调控策略的重要手段。
通过计算模拟可以从基本理论上预测和解释量子材料的性质，如能带结构、电子结构和光学特性等。
同时，计算模拟还可以指导实验设计和材料合成，提供可行的优化和调控策略。
在不断发展的计算模拟技术下，科学家们可以针对不同量子材料的特性需求，进行精密计算和模拟，为量子材料的性能优化提供理论指导。
量子调控技术
量子调控技术量子调控技术是一种新兴的科技手段，它将传统物理学理论和现代信息技术融于一炉，为人类探索宇宙的微观世界和实现信息技术的迅速发展提供了有力的工具。
本文将详细阐述量子调控技术的研究背景、基本原理、应用前景和发展挑战。
研究背景量子调控技术的研究背景与量子物理学紧密相联，它源于对量子系统的逐渐深入理解。
纵观百年科学史，人类对自然界的认知层次在不断提高，量子理论诞生和发展是分子、原子乃至更微观尺度物理现象理解的重要里程碑。
更重要的是，在研究过程中，人们逐渐认识到了控制这种微观物理系统的可能性，从而有了量子调控技术。
基本原理量子调控技术主要基于量子理论的几个重要原理：一是量子叠加原理，即量子可以处于多种状态的叠加，通过调控可以使量子在各状态之间转换；二是量子纠缠原理，即两个或多个量子之间可以形成纠缠态，使得这些量子的状态不再独立，而是紧密关联；三是量子测量原理，即对量子状态的测量会导致量子坍缩到一个确定的状态。
应用前景量子调控技术的应用前景十分广阔。
首先，在信息科技领域，量子调控技术在量子计算、量子通信和量子信息安全等方面具有重要的应用。
例如，量子计算机通过使用量子叠加和量子纠缠，可以实现对海量数据的高速、高效处理；而量子通信则能实现长距离无损信息传递。
其次，在物质科学领域，量子调控技术同样有着重大应用。
科学家可以利用量子调控技术，研究各种新型材料和质地，这将为新一代电子设备的制造开辟道路。
发展挑战尽管量子调控技术的应用前景广阔，但在具体的实现过程中，还需要面对许多科学技术难题。
一方面，尽管我们已经掌握了对单个或少量量子的调控方法，但对大规模、复杂的量子系统的精确调控技术尚处于起步阶段；另一方面，当前的量子调控技术大多需要在超低温、超高真空和强磁场等特殊环境中进行，如何在常温常压等日常环境中实现量子调控是一大挑战。
总的来说，量子调控技术尽管面临着诸多挑战，但依然拥有无可估量的潜力。
它不仅体现了科学研究的前沿，更展示了科技对人类生活的改善所具备的强大力量。
量子力学中的量子调控技术
量子力学中的量子调控技术量子力学是研究微观世界中物质和辐射相互作用以及能量变化规律的物理学分支。
它是当今科学中最精密和最神秘的领域之一。
随着科技的不断发展，量子力学逐渐开始应用到现实生活中。
其中，量子调控技术是最为重要和前沿的研究方向之一。
本文将介绍量子调控技术及其在现代科技中的应用。
一、量子调控技术的基础原理量子调控技术基于量子力学的基本原理，即波粒二象性和不确定性原理。
它通过控制粒子的自旋、能级等量子态，来实现对量子态的计算、存储和通信控制。
其中，自旋是粒子的一种固有属性，类似于物体的旋转。
在自旋量子比特中，每个自旋都可以代表 0 或 1 的量子态。
不同于经典比特，量子比特可以同时处于 0 和 1 的叠加态之中，这种量子纠缠的特性是实现量子调控的基础。
能级是一个粒子所能够处于的状态。
在经典物理学中，粒子的能级是连续的，而在量子力学中，粒子的能级是分立的，并且能级之间存在相互作用。
通过控制能级之间的跃迁和相互作用，可以实现量子计算。
二、量子调控技术在量子计算中的应用量子计算是指利用量子调控技术进行的计算。
它与传统计算不同，能够在相对较短时间内处理到传统计算无法完成的问题。
量子计算机首次在上世纪80年代被提出，目前已经成为量子调控技术最为重要和前沿的研究方向之一。
其中最为广泛被研究的算法是 Shor 算法和 Grover 算法。
Shor 算法是一种用来分解大数质因子的算法。
传统计算机在大量计算后无法高效地分解大数的质因子，而使用 Shor 算法，只需要对数轴上的 N 个点进行 O(logN) 次计算，就能找到一个对质因子进行近似预测的算法。
Grover 算法是一种在无序结构中快速搜索特定目标的算法。
在传统计算机中，需要遍历整个数据库，将搜索复杂度从 O(N) 降至O(√N)。
三、量子调控技术在通信中的应用量子通信是量子调控技术在通信领域的应用。
与传统通信方式相比，它具有更高的安全性和更快的传输速度。
生物大分子的多尺度模拟研究
生物大分子的多尺度模拟研究自然界中，大多数生物的结构和机能都与生物大分子密切相关。
生物大分子是由单体或亚基组合而成的大分子，包括蛋白质、核酸和多糖等，对细胞的各种机能和调控都非常重要。
理解和掌握生物大分子的结构和机能是当今许多生物学、医学和生物技术领域的研究热点。
然而，由于生物大分子的复杂性和尺度巨大，传统的实验方法往往受限于技术手段、成本和时间等诸多因素。
因此，开展生物大分子的多尺度模拟研究，尤其是计算机模拟，成为了众多研究的首选方法。
多尺度模拟是指以不同尺度的模型对一个系统进行模拟，使得模拟结果能够反映出不同尺度的信息。
生物大分子的多尺度模拟涉及到分子的数值计算、分子力学和分子动力学等多个领域的知识。
通过对分子和体系建模，运用计算化学和生物物理学理论分析分子的结构、动力学和热力学性质等，可以揭示分子机制和性质，解决生物大分子缺少足够的实验信息而难以理解的问题。
不同尺度下的生物大分子模拟在生物大分子的多尺度模拟中，需要将分子的结构和行为从原子尺度、精细的量子力学水平、原子力学水平，逐步提高到分子力学、连续介质理论等宏观尺度。
这样的多尺度模拟，能够揭示分子之间的相互作用力和生物作用机理，从而为生物学和医学领域的研究提供理论和思路。
在小尺度上，以量子力学和基于量子化学计算方法的模拟技术可以对生物大分子的电子结构和反应机理进行深入刻画。
通过量子化学计算的理论方法，研究人员能够了解分子间的相互作用、化学键的形成和断裂等基本过程，从而揭示生物大分子的性质和机制。
此外，通过分子力学模拟，可以预计分子的形状、稳定性、动力学行为等，并分析分子间相互作用的热力学参数。
对于大尺度的生物大分子，例如蛋白质和核酸，计算机模拟通常会运用分子动力学技术。
该方法可以模拟生物大分子在时空层次上的动力学行为和构象变化，探究各种生物活动，如酶催化、信号传导和剪切转录等，同时强调了生物大分子内部的相互作用力和统计物理学中的概念。
生物大分子的多尺度模拟在生物学和医学研究中的应用生物大分子的多尺度模拟已被广泛应用于生命科学基础研究、新药研发、生物工程等领域。
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项目名称：分子尺度的量子设计与调控首席科学家：杨金龙中国科学技术大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标1、总体目标利用高分辨检测和控制技术，对分子尺度体系的结构、电子态、自旋态和光子态进行表征、检测与调控，发挥多学科交叉、实验与理论紧密结合的优势，建立和发展新的量子测量和控制技术，以期实现分子尺度上在空间、能量、时间域的高分辨率、高灵敏表征的多功能动态检测和控制；揭示分子尺度体系中光电转换以及与表面相关的电荷转移与能量转换动力学过程、以及量子态的动力学演化过程；探索与了解基于分子能级和波函数工程的量子器件的设计原理和工作原理，为构筑具有我国自主知识产权的未来信息技术的科学基础做出贡献。
2、五年预期目标1)建立与发展高分辨率局域探针显微术与波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术，探索量子调控表征与测量的新原理和新方法，创建从空间、能量、时间三方面对纳米体系的时空动态行为进行高分辨高灵敏的表征、检测与调控的实验研究平台。
2)通过物理和化学方法对分子尺度体系进行结构设计与调整，构筑特定构型和性能的新分子体系、分子纳米光电体系、石墨烯及其复合体系，发展一些制备量子电子器件的关键技术，揭示一些新量子效应、协同效应、界面效应，实现高效的光电器件和应用。
3)理解磁性分子和耦合体系中的电子态、自旋态、电子-电子相互作用、自旋-轨道相互作用。
实现分子量子体系中电子态与自旋态动态检测和调控，揭示与量子输运特性相关的单分子电子器件和自旋器件的运作原理。
4)掌握分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间的耦合与转化现象与机制，特别是表面等离激元在纳米体系的能量转移中的作用、激子形成与衰变的机制以及辐射衰变动力学，实现在分子尺度下，对能量转移途径和速率方面的控制。
5)发展和完善计算分子尺度上复杂体系的理论计算和程序，认识分子尺度上量子行为的本质、规律与原理，解释与预测分子尺度体系中的量子力学新效应，为分子尺度上的量子测量、设计与调控提供理论基础和指导。
通过项目的执行，期望进一步凝聚和培养一支高素质的从事分子尺度量子调控的科研队伍，发展和完善具有显著特色的分子尺度量子结构表征和调控的技术、方法和装备，形成国际知名的有特色的研究基地，进一步提升我国在这一前沿交叉领域的国际竞争能力，并使我国在分子尺度上的量子调控以及相关分子材料与器件的研究领域内保持国际先进水平，在部分领域取得领先地位。
预计5年内发表高质量学术论文约200篇、取得2-3项具有国际领先水平的原始创新的研究成果，申请10-15项发明专利、组织1-2次高水平的国际学术会议，依托本项目培养100余名研究生。
三、研究方案总体研究方案学术思路本项目针对当今分子体系与器件研究中关于量子态调控、电荷输运、光电耦合与转换、器件原理等涉及量子力学效应的焦点问题，利用和发展先进的分子尺度上的高分辨高灵敏表征检测与操纵技术，发挥多学科交叉、实验与理论紧密结合的优势，从分子能级和波函数工程的层次上对分子尺度体系的分立能级结构和轨道空间分布进行调制，以实现结构、电子态、自旋态和光子态的量子调控，实现对量子现象本质的认识和对量子特性的人工“裁剪”。
重点解决单分子在空间、能量、时间域的精确测量与控制；单分子光子学中量子态演化动力学；基于分子能级和波函数工程的量子器件设计原理等关键科学问题。
通过这些问题的研究与解决，设计和制备特定构型和性能的新体系，阐明分子尺度物质中电荷与自旋输运特性的量子本质，揭示分子尺度体系中与界面相关的电荷转移与能量转换动力学过程，建立分子尺度上量子调控的理论，探索和了解基于室温量子效应的分子电子器件与分子光电子器件的运作原理。
技术途径建立与发展高分辨率局域探针显微术与波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术，创建从空间、能量、时间三方面对纳米体系的时空动态行为进行高分辨高灵敏的表征、检测与调控的实验研究平台，实现分子尺度上与器件功能相关的能级、波函数、自旋调控。
将拉曼信号与表面增强荧光和寿命等信息结合起来，深入了解分子尺度上的激发态信息、光电行为及其能量转移动力学过程，探索扫描探针增强分子拉曼光谱技术应用于生物体系高分辨成像方面的可行性。
在这一实验平台上，研究单分子体系中量子态的耦合和纳米等离基元学，自旋态的相关动力学过程、以及体系中与界面相关的电荷和能量转移过程。
了解分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间的耦合与转化现象与机制，特别是表面等离激元在纳米体系的能量转移中的作用、激子形成与衰变的机制以及辐射衰变动力学，实现在纳米尺度下对能量转移途径和速率方面的控制；研究分子－电极接触中的电子和自旋输运特性、引起分子间自旋相干性质以及引起自旋退相干的机制，探索分子尺度物质中电荷输运、光电转换的量子调控问题以及相关分子器件的运作原理。
围绕单分子磁体、磁性复合体、与纳米光电子体等低维量子受限体系，在原子和分子尺度上，利用物理与化学手段对体系结构的维度、有序度、尺寸、掺杂等参数的调整，设计和构筑具有特定构型和性能的分子尺度功能结构及其耦合体系。
检测和分析分子体系调制后的性能，指导分子尺度物质的设计和制备，以便实现物理性能参数的优化，推动实用分子材料与器件的开发。
由于分子尺度结构和接触环境的复杂性，影响因素众多，需要通过理论计算来认识分子尺度上的量子现象与过程的本质。
理论计算与分析将始终贯穿于每一个课题、每一项研究工作中。
我们将紧密结合实验研究，考虑分子尺度体系与环境的相互作用，发展并使用适合处理分子尺度上复杂体系理论和从第一性原理出发的电子结构与分子动力学计算方法，配以各种半经验计算方法，对分子量子体系的电子结构、光谱特性、输运性质、形成过程和反应机理等进行理论与计算研究，澄清分子尺度结构的特异物理性质与量子效应之间的关系，为新的分子功能材料与器件的发展和应用提供理论依据。
四、年度计划第一年研究内容1.纯化磁性分子如N@C60, 设计制备复合的磁性功能分子结构及其衍生物，如N@C60，M@C82), TbPc2分子。
选择具有特定几何对称性结构的分子自组装体系利用STM研究其自组装复合结构及其电子态性质调控；2.利用低温-磁场STM 测量磁性分子的电子结构和自旋性质，其中主要关注不同对称结构磁性分子、不同材料和不同对称性的衬底金属对自旋态的影响，3.配合相关实验结果，表征单分子(如N@C60, TbPc2和内嵌富勒烯)的结构和物性，其表面吸附行为。
模拟与计算STM实验观测到的单分子吸附行为和输运特性（如整流和负微分电阻效应）。
4.设计并搭建STM 相结合的ESR 系统；进一步建立和发展融合低温超高真空高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏单光子检测技术于一体的联用系统，特别是完善无光纤耦合的优化光路和采用高效光子检测器（低噪音雪崩光二极管）来提高光子图和光子相关性测量的探测效率，建立与联用系统配套的共焦荧光光路耦合系统，初步开展探针增强拉曼光谱（TERS）研究；进一步拓展纳米体系的寿命测量方法，研究如何利用电脉冲激发的方法得到寿命信息；5.在光子态调控方面，重点研究STM诱导分子发光，研究分子在纳米等离激元环境中的光电行为、特别是在强场和近场激发下可能产生的新光电量子效应;6.设计与制备金属-金属（Au-Pd、Ag-Au等）、半导体-金属（Au-CdSe、Au-CdS、ZnO-Pd、ZnO-Pt、Mn-ZnO等）、半导体-半导体（ZnO-CdS、ZnO-CdSe、CdSe-ZnS 等）异质和石墨烯（Graphene）及其复合材料(Graphene-CdSe、Graphene-ZnO、Graphene-metallic particle等)为代表的新型受限和异质量子结构，发展相应的可控制备技术。
7.发展有效制备石墨烯及其复合结构的方法，研究掺杂和无序对石墨烯的电子态特征与量子输运行为的影响，研究复合体系中协同效应对光电响应的作用,以及石墨烯氧化物及其衍生物的电子结构和输运特性。
8.设计和制备以等离子体纳腔为代表的各种微纳结构，研究异质量子结构或分子同上述微纳的耦合特征及共振能量转移行为。
9.发展线性标度方法，研究复杂大分子体系(如碳和硅团簇)的电子结构、声子谱、吸收和发射光谱。
基于格林函数方法研究建立一套能处理谐振子和非谐振子体系的计算模型，编写程序，计算分子的非线性光学响应和非弹性隧道谱。
在理论计算方面，建立第一性原理密度泛函理论计算STM诱导分子发光的理论模型，注重从头计算法量子化学计算与跃迁速率方程之间的协同考虑。
10.发展和改进实用、有效的量子耗散方程，并分析、验证所适用的参数范围。
发展相应的计算方法，并完成动力学程序和包括二维的各种动力学光谱程序。
预期目标：1.理解单个及多个磁性中心与衬底之间的相互作用关系；2.提出并确定ESR-STM联用系统的设计方案；3.初步掌握探针增强拉曼光谱（TERS）研究的实验技术和方法；4.设计与制备出一些具有特殊新颖行为的新型受限和异质量子结构；5.对异质量子结构的电荷转移与能量转换行为有比较全面的理解；6.获得一些制备石墨烯及其复合体系的有效方法，发展其电子态与性能的调控方法。
7.设计和制备出能够有效调控异质量子结构或分子耦合和能量共振转移的微纳结构，对其相互作用与机理有较系统的了解和掌握。
8.发展和掌握一些电极制备技术和量子受限体系的定位生长与组装技术。
9.寻找一些调控单分子表面吸附体系的磁学性质的手段。
10.初步建立起基于第一性原理密度泛函理论的STM诱导分子发光的理论模型；11.发表高质量SCI学术论文40-50篇，申请专利2-3项。
第二年：研究内容：1.继续利用低温-磁场STM 测量磁性分子的电子结构和自旋性质，重点关注STM探针操纵技术。
通过STM的单分子操纵技术调控分子内部的功能基团以实现对单分子功能的调控，继续研究和完善动力学测量方法；测试完善ESR 相关部件。
2.构建具有特殊结构和性质的磁性复合结构，如通过操纵Co、Fe、Mn 原子，与各种对称性分子间构建出复合结构，研究磁性中心间的相互作用，发展和利用自旋极化的STM 探针，探测和控制其自旋态；分子，特别是15N 同位素的核自旋对电子自旋间可能的相互作用3.探测N@C60及对电子自旋输运性质的影响；4.利用微纳加工技术制备电极材料，构建纳米结中嵌入单分子的结构，进一步优化分子设计和等离激元结构设计（如探针-发光基团－间隔基团－嫁接基团－基板），调控功能发光单元与周围环境的脱耦合作用以及局域场增益效应，探索提高发光量子效率和实现单分子电致发光的途径，并通过光子相关性测量来研究电泵单分子光源的光子发射特性及其可能应用前景；5.荧光分子与纳米体系之间的能量转移过程的检测与调控。
设计和合成具有特定能量转移通道的供体-受体光电分子，开展金属表面加上不同脱耦合层的分子尺度体系的STM诱导分子发光研究，进一步研究局域等离激元场和脱耦合效果对STM分子发光性能的影响，为后续能量转移体系提供一个好的脱耦合环境；同时开展原位光致发光研究，通过与稳态、瞬态光致发光谱的比较来进一步认识STM诱导分子发光的激发与衰变机制，并研究如何利用电脉冲激发获得分子发光寿命信息，了解荧光衰变与能量转移机制；6.完善基于尺寸控制、掺杂、晶态、界面、表面、应力等方法的对异质受限量子结构电子结构、电荷转移和能量转换的调控技术。