许秀来  北京大学物理学院，博雅特聘教授。2005年于剑桥大学卡文迪许实验室获得博士学位。随后在日立剑桥实验室先后担任博士后研究员、终身研究员和高级研究员，同时兼任剑桥大学Clare Hall学院的Research Fellow。2011年入选中国科学院“人才引进计划”，加入中国科学院物理研究所，先后担任副研究员、研究员，并兼任中国科学院大学岗位教授。2019年入选英国物理学会会士，2020年获得国家杰出青年科学基金的资助。主要研究方向为低维半导体体系的光电物理与器件。

梁文杰 中国科学院物理研究所研究员。2005年获哈佛大学物理化学博士学位。先后在加州大学伯克利分校及洛伦兹伯克利美国国家实验室做博士后研究。2009年作为引进人才回国工作，聘任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师。主要从事新型纳米器件和量子结构的电热输运性质的研究。研究领域涉及单分子晶体管、碳纳米管、石墨烯器件以及一维纳米线中的量子传输、量子关联以及电声耦合与热输运，并在纳米传感等方面展开应用研究。

孙方稳   中国科学技术大学教授。2007年于中国科学技术大学光学专业取得博士学位。在美国哥伦比亚大学从事博士后工作后，于2009年6月加入中国科学技术大学，现任物理学院教授、博士生导师。主要从事量子光学和量子精密测量理论和实验的研究，涉及多光子干涉，量子超分辨成像和微纳量子传感等方向。

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摘  要：光与物质相互作用的过程具有丰富的物理内涵，不仅有助于理解光的本质，更可以提供一种有效操控物质的手段。开放式光学微腔具有光场强局域性、频率域和空间域的可调谐性以及光纤可集成性等特点，为研究微腔内的光与物质相互作用提供了一个理想平台。本文首先介绍基于开放式法布里-珀罗微腔的腔量子电动力学系统的基本特性，然后介绍开放式法布里-珀罗微腔结构的制备方法，进而从弱耦合、强耦合和差发射体三方面着重介绍近年来开放式微腔与固态单量子系统相互作用的研究工作，最后进行了总结与展望。

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摘  要：在各种物理量中，温度是最直观和最普遍的量。温度的剧烈变化通常意味着物体的物理性质出现波动，因此在各个领域中温度往往是重要的指标。随着科学技术的发展，许多领域研究和应用的尺度越来越小，然而在小于10 μm的空间尺度内还没有通用的温度测量方法。除了空间分辨率的要求，传感器在测量过程中不应该对被测对象有巨大影响，金刚石氮-空位(nitrogen vacancy，NV)色心是一种稳定的发光缺陷，通过对其能谱和电子自旋量子态的测量，可以获得其附近温度、电磁场等物理量的信息。由于金刚石的化学特性稳定和热导率高，可以进行纳米尺度的非破坏性测量。它对细胞无毒，也可以用于生命领域的研究。此外，根据金刚石的特性，NV色心可以与光纤、扫描显微镜等技术结合，实现不同场景中的温度测量。本文将介绍金刚石NV色心的温度特性、测温原理及其在相关领域的应用。

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摘  要：在量子物理领域的研究中，量子控制是必不可少的。精确高效的量子控制，是利用量子系统进行实验研究的前提，也是量子计算、量子传感等应用的基础。金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长，可用光学方法实现初始化和读出，通过微波射频场能实现普适的量子控制，是研究量子物理的优秀实验平台。本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果，主要讨论了1) 金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理，2)氮-空位色心的退相干机制，3)单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展。

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摘  要：单分子体系是一种典型的受限量子体系，且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强，因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态，这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能。对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件。由于单分子体系的尺寸限制，宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测。扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力，高分辨的成像和谱学能力，可以实施原位的分子操纵，还可以与多种外场和局域场表征技术联用，是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具。本文撷取这一领域较为代表性的进展，介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状。首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段，然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性。对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系，分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍。最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望。

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摘  要：量子信息技术是20世纪极具代表性的两种科技进步—量子力学和信息科学技术相结合的新兴领域，其发展需要解决量子信号的产生、处理、传输、同步和存储等一系列问题，对材料的特性提出了严苛的要求，然而目前还没有一种材料可以在所有功能上都能满足量子信息应用的需要。掺铒晶体材料在1.5 μm 具有光学辐射峰，并且具有良好的相干特性，在量子信息技术的若干关键节点都有着巨大的应用前景。本文结合掺铒晶体的性质，回顾其在量子存储、量子频率转换、量子光源以及基于离子间相互作用的量子调控等方面的应用进展，并对可能的发展方向进行讨论。

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摘  要：极低温、高压强、强磁场等极端条件是发现和调控新奇物态的重要途径。为了能在极端条件下实现灵敏的物性测量，需要发展先进的传感探测方案。基于金刚石氮空位中心的自旋量子传感可实现磁学、电学、力学、热学等物理参数的灵敏测量，而且拥有微纳尺度的空间分辨率和极其宽泛的工作区间，有望成为极端条件下灵敏物性测量的重要工具。本文主要介绍低温、高温、零场、强磁场以及高压强等极端条件下金刚石氮空位中心的光学性质和自旋相干性质，探讨极端条件下金刚石自旋量子传感所面临的机遇和挑战。本文也包含自旋量子传感的基础知识和极端条件下量子传感应用进展。

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摘  要：自旋器件有望实现量子信息存储、传感和计算，是下一代数据存储和通信的理想器件。与无机自旋器件相比，有机自旋器件不仅可以实现传统无机自旋器件的功能，而且在同一有机自旋阀器件中会同时测到正负磁电阻信号，这是因为有机分子与铁磁电极在界面会发生自旋杂化而产生独特的自旋界面。通过控制自旋界面，可以改变界面处分子能级展宽和偏移程度，从而实现对磁电阻信号的可控调制。有机自旋阀器件发展迅速，但仍有一些问题亟待研究，如对自旋界面进行识别和表征，以及利用自旋界面对有机自旋阀信号进行操控等。针对上述问题，本文首先综述了有机自旋阀的基本原理，通过对比无机有机材料能级结构的差异解释了有机自旋阀中自旋界面形成的原因，对于有机自旋阀中磁电阻信号的增强和反转现象，利用自旋界面模型中能级展宽和偏移进行了解释；接着列举了自旋界面的实验识别案例，如利用对表面敏感的表征技术对自旋界面进行识别以及设计新颖的器件结构验证自旋界面的存在等；然后汇总了利用自旋界面调制自旋信号的相关工作，自旋界面的调制可以通过电场调节铁电层的铁电极化、诱导铁磁电极相变、界面化学工程和磁交换相互作用等方式实现；最后总结了有机自旋界面中仍需解决的问题，并对有机自旋界面的识别和可控利用进行了展望。

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摘  要：在腔量子电动力学中，如果量子发光体与腔模式的耦合强度超过二者的平均损耗，就进入了强耦合区域，此时会形成部分光部分物质的新量子态—极化激元态。强耦合在室温玻色-爱因斯坦凝聚、极化激元激光、单光子非线性、量子信息等领域有重要的应用价值。基于单个金属纳米颗粒的结构可以支持局域表面等离激元共振，拥有极小的模式体积，非常有利于强耦合现象的发生。本文主要介绍了强耦合的理论背景、单个金属纳米颗粒和纳米间隙结构与量子发光体的强耦合、以及强耦合的动态调控，并展望了该领域的研究前景。

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摘  要：单分子器件电输运中的量子干涉效应是电子在分子独立的轨道能级内传输时因保持量子相干性，从而在不同能级之间发生相互干涉的现象。这种现象导致了电子在单分子器件内透射概率的增加或减小，在实验中体现为单分子器件电导值的升高或降低。近些年，利用量子干涉效应对不同的单分子器件进行调控在实验中被证实是有效的调控手段，如对单分子开关、单分子热电器件、单分子自旋器件等器件性能的调控。本文介绍了量子干涉效应的相关理论与预测、实验观测与证实，以及其在不同单分子器件上的调控作用。

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摘  要：胶体半导体量子点具有宽带吸收、窄带发射、发光量子产率高、发射波长连续可调等优点，是制备发光二极管、太阳能电池、探测器、激光器等光电器件的优质材料。单量子点光谱能够消除系综平均效应，可以在单粒子水平上获取量子点材料的结构和动力学信息及与其他材料间的电荷、能量转移动力学等。相关研究结果能够指引量子点材料的设计和为量子点的相关应用提供机理基础。另外基于单量子点可以开展纳米尺度上光与物质的相互作用研究，制备单光子源和纠缠光子源等。本文综述了单量子点光谱与激子动力学近期的相关研究进展，主要包括单量子点的光致发光闪烁特性和调控方式、单激子和多激子动力学研究及双激子辐射特性的调控等。最后简要地讨论了单量子点光谱未来可能的发展趋势。

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摘  要：磁场效应(magnetic field effects，MFEs)指的是材料或器件的光电物理特性(包括光致发光、电致发光、注入电流、光电流等)在外加磁场下发生的变化。本文所述的是非磁性发光材料的MFEs，其首先在有机半导体光电器件中被发现。近十几年来，MFEs作为一种新兴的物理现象引起了广泛的研究；同时它也成为一种独特的实验手段，用以探讨有机半导体中电荷的输运、复合以及自旋极化等过程。近期的研究发现，MFEs不仅存在于有机半导体中，而且在拥有强自旋-轨道耦合作用的金属卤化物钙钛矿材料中被观测到，这既拓展了MFEs的研究方向，也为通过研究MFEs来探索金属卤化物钙钛矿器件的物理机制，进而为提升其器件性能提供了契机。本文重点关注有机半导体和卤化物钙钛矿在磁场下的电致发光和光致发光变化，即发光的磁场效应。回顾了到目前为止主流的理论模型和代表性实验现象，对比分析了磁场下有机半导体和卤化物钙钛矿的发光物理行为。以期为有机及钙钛矿磁场效应领域的研究提供一些思路，同时为有机及钙钛矿发光领域的发展贡献些许想法。

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摘  要：半导体材料中的自旋色心是量子信息处理的理想载体，引起了人们的广泛兴趣。近几年，研究发现碳化硅材料中的双空位、硅空位等色心具有与金刚石中的氮-空位色心相似的性质，而且其荧光处于更有利于光纤传输的红外波段。然而受限于这类色心的荧光强度和谱线宽度，它们在量子密钥分发和量子网络构建等方面的实际应用依然面临严峻的挑战。利用光学腔耦合自旋色心实现荧光增强和滤波将能有效地解决这些难题。将光纤端面作为腔镜，并与自旋色心耦合可以实现小模式体积的腔耦合，而且天然地避免了需要再次将荧光耦合进光纤而造成损耗的缺点。本文理论计算了耦合碳化硅薄膜的光纤腔的性质和特征。首先通过优化各项参数包括薄膜表面粗糙度、腔镜反射率等，理论分析了存在于光纤腔中的不同模式的特点，以及光纤腔耦合色心的增强效果及相关影响因素。进一步地研究了对开放腔而言最主要的影响因素—振动对腔性质、色心的增强效果以及耦出效率的影响，最终得到在不同振动下的最大增强效果以及对应的耦出透射率。这些结果为今后光纤腔耦合色心的实验设计提供了最直接的理论指导，为实验的发展和优化指明了方向。

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摘  要：分子内的电子-振动耦合特性对电子跃迁和分子光谱特征有重要影响，是分子光谱学研究的中心课题之一。本文利用具有亚纳米分辨的扫描隧道显微镜诱导发光成像技术，通过高度局域的隧穿电子来充电激发单个苝四甲酸二酐分子，研究该分子的瞬时带电态(–2价态)的电致发光特性以及相应的电子-振动跃迁的实空间成像特征。具有亚分子分辨的光谱成像结果表明，0-0纯电子跃迁的光子图“两点”亮斑特征是沿分子短轴的，而某些电子振动峰的光子图“两点”亮斑方向却沿着分子长轴，相对于0-0跃迁光子图的图案旋转了90°。这表明这些振动态所对应的跃迁偶极取向是沿着分子长轴的，相对于0-0的纯电子跃迁的偶极取向发生了明显的变化，说明这些分子振动模式在电子的跃迁过程中对电子态空间分布产生了重要扰动。理论计算表明，这种跃迁偶极的变化源自于与Herzberg-Teller贡献相关的电子-振动耦合。反对称的振动模式对纯电子跃迁的跃迁密度、特别是具有较大跃迁密度的原子产生了强烈的动态扰动，或者说对分子波函数进行了“整形手术”，从而诱导出沿分子长轴方向的跃迁电荷振荡，引发沿分子长轴的跃迁偶极。本文结果为从实空间的视角来直观理解分子瞬时带电态中的电子-振动耦合的微观图像提供了新的途径。

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摘  要：增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件，这需要在石墨烯样品中引入独特的 Kane-Mele 型自旋-轨道相互作用，并保持较高的迁移率。然而，对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型” Rashba 自旋-轨道相互作用，会破坏可能存在的拓扑态，并带来一定程度的杂质散射，降低样品迁移率。在石墨烯表面修饰 EDTA-Dy 分子后，载流子迁移率得到了提高，并且可以看到显著的量子霍尔电导平台。其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制，这意味石墨烯中可能引入了内禀的 Kane-Mele 型自旋-轨道相互作用，增强了 Elliot-Yafet 型电子自旋弛豫机制。进一步通过矢量磁体磁阻测量，发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪，这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了 Kane-Mele 型自旋-轨道相互作用。

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摘  要：水是自然界中最重要的物质之一，研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义。近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度。本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号，并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变。实验结果表明，基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为，为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段。

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摘  要：近年来，为了实现可拓展的集成化量子网络，各种功能性量子器件的发展需求不断加深。集成了单量子点的条形波导可以作为单向传输的量子点光源，在单光子二极管、晶体管和确定性量子门等器件中具有广泛的应用。本文利用共聚焦显微系统，在4.2 K低温下，通过激发波导中心区域的量子点光源，实现了圆极化光的分离，并验证了波导中的自旋动量锁定效应。在实验中实现了具有反常抗磁行为的量子点荧光的手性传输，拓宽了波导单向传输的波长调控范围。在保证波导单向传输性的同时，实现了不同输出光子中心能量的正向、反向偏移。本文为研究宽波段范围的手性量子器件奠定了基础，拓展了波导在量子信息领域中的应用。

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摘  要：将InAs/GaAs量子点样品薄膜置于覆盖有直径为50 nm的金(Au)纳米颗粒的硅衬底上，可以调控量子点激子的自发辐射速率。实验发现，当量子点浸润层距离Au纳米颗粒表面15—35 nm时，激子自发辐射速率受到抑制，且距离为19 nm时抑制作用最大，导致量子点激子的自发辐射速率减小到没有Au纳米颗粒时自发辐射速率的10^-3。基于经典的偶极辐射模型模拟计算的激子自发辐射速率与实验结果一致。