光量子物質全國重點實驗室
研究概覽
結合超材料、納米光子學與量子材料，探索光與物質的交互作用。
我們研究光場與電子、激子及其他量子自由度之間的耦合，結合理論、材料生長、微納加工與光電測量，探索新的量子現象及可控平台，為未來信息處理、通訊與傳感建立物理和材料基礎。
相互連接的研究平台
人工光子結構
超材料、超表面、光子晶體與微納光腔
低維量子材料
二維材料、范德瓦爾斯異質結構與莫爾超晶格
基礎物理探索
拓撲、強關聯、激子與量子多體現象；冷原子等可控量子平台
材料與器件研究
材料生長與插層、光電信息轉換、多材料光子與量子器件集成
主要研究方向
四個方向由光子結構、光–物質交互作用與量子物態延伸至材料生長和集成，在不同研究平台之間形成互補。
量子系統與新興量子自由度
研究能谷、層及軌道等自由度與拓撲、強關聯和多體物態的關係，並以冷原子等可控平台探索量子物理。
詳細研究領域
01 光子學、超材料與拓撲
Photonics, Metamaterials and Topology
研究重點
本方向結合超材料、超表面與納米光子學，研究人工微納結構如何改變光場與電磁響應。研究涵蓋亞波長光場調控、光學損耗補償、光子晶體中的拓撲現象，以及多材料三維與異質集成，連結基本光物理與光源、成像、探測及片上光學器件。
研究主題
超材料、超表面與光場調控
透過微納結構設計控制振幅、相位、偏振及非線性響應，研究超透鏡、可重構超構器件、量子光源及深度學習輔助成像。
拓撲光子學與非厄米系統
以光子晶體、耦合波導陣列及人工規範場探索拓撲態、拓撲奇點與多光子干涉，研究增益、損耗及對稱性對光學行為的影響。
三維與異質集成光子學
結合矽、氮化矽、III–V族半導體及電光材料，探索激光器、調制器、波導與層間耦合器的協同集成。
多功能光子器件與智能感知
發展面向光通訊、精密傳感、多光譜探測與環境監測的光子器件，結合計算模型及人工智能優化器件與系統設計。
潛在應用與展望
研究面向集成光源、光互連、精密傳感、計算成像及多光譜環境監測，探索由結構設計走向功能器件與集成系統的路徑。
與「光與物質相互作用及量子操控」共同研究局域光場和耦合機制，並以材料生長與集成方法支撐器件實現。
閱讀相關方向相關研究人員
以下按研究主題列示相關研究人員，部分人員參與多個方向。
精選論文
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Overcoming losses in superlenses with synthetic waves of complex frequency
Science 381, 766–771 (2023)
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Nature Materials 22, 1203–1209 (2023)
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Intelligent metasurfaces: digitalized, programmable, and intelligent platforms
Light: Science & Applications 11, 242 (2022)
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Non-Hermitian swallowtail catastrophe revealing transitions among diverse topological singularities
Nature Physics 19, 1098–1103 (2023)
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3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics
Nature 620, 78–85 (2023)
02 光與物質相互作用及量子操控
Light–Matter Interaction and Quantum Control
研究重點
本方向研究光場如何與低維量子材料中的電子及激發態相互作用，並探索可用於量子操控的新機制。重點包括激子–光子強耦合、載流子與腔真空場的超強耦合、莫爾體系的光學響應，以及飛秒至阿秒尺度的電子動力學與自由電子–光子交互作用。
研究主題
強耦合、超強耦合與腔真空場
透過微納光腔與超材料調控光場局域及耦合，探索真空漲落對低維電子系統能級、輸運與關聯物態的影響，以及腔介導的相互作用。
激子、極化激元與莫爾光學
研究激子與光子形成的混合態，結合轉角異質結構與莫爾超晶格，探索激子量子態、谷相干、輸運與多體效應的光學探測及調控。
超快與阿秒動力學
發展飛秒及阿秒光學方法，透過高次諧波與時間分辨光譜研究電子和量子態的瞬態演化，探索光場對材料動力學及拓撲物性的控制。
自由電子–光子相互作用
研究自由電子與光子結構、二維材料及腔場的耦合，探索共振增強電子輻射、片上光子生成與非經典光態的新途徑。
潛在應用與展望
為量子光源、高靈敏度光電探測、量子態讀出與操控，以及新型光電信息轉換提供科學基礎。器件應用將結合耦合強度、相干性與集成條件進一步探索。
與「量子系統與新興量子自由度」共享莫爾與關聯量子體系；本方向側重光如何探測並操控這些體系。
閱讀相關方向相關研究人員
以下按研究主題列示相關研究人員，部分人員參與多個方向。
精選論文
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Photonic flatband resonances for free-electron radiation
Nature 613, 42–47 (2023)
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Compensating losses in polariton propagation with synthesized complex frequency excitation
Nature Materials 23, 506–511 (2024)
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Nature Materials 23, 224–229 (2024)
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Dipole ladders with large Hubbard interaction in a moiré exciton lattice
Nature Physics 19, 1286–1292 (2023)
03 量子系統與新興量子自由度
Quantum Systems and Emerging Quantum Degrees of Freedom
研究重點
本方向探索量子系統中不同自由度及其相互作用如何產生新的物態與響應。研究結合凝聚態理論、低維材料實驗與冷原子平台，涵蓋能谷與層自由度、莫爾超晶格、拓撲物態、超導與非互易輸運，以及可控量子系統中的多體行為。
研究主題
能谷、層自由度與莫爾超晶格
利用二維材料的堆疊、轉角與外場調節能谷及層相關性質，研究莫爾激子、關聯磁態、輸運及多體效應。
拓撲與強關聯量子物態
研究拓撲半金屬、量子霍爾體系、激子絕緣體及關聯物態，探索其電磁輸運與非線性光學響應，以及對稱性和無序的作用。
超導、非互易輸運與界面調控
探索低維超導體及范德瓦爾斯超晶格中的非互易響應，研究分子插層、界面與外場如何改變物態及器件行為。
冷原子與可控量子多體系統
發展原子、分子及離子–原子混合系統的冷卻、囚禁、成像與操控方法，結合理論和數值計算探索強關聯、量子動力學與量子模擬。
潛在應用與展望
建立研究複雜量子物質的可控平台，探索量子模擬、量子信息、量子傳感及新型非互易器件的物理基礎。
與「光子學、超材料與拓撲」共同使用拓撲與對稱性概念；本方向側重量子物質與多體系統中的物態和自由度。
閱讀相關方向相關研究人員
以下按研究主題列示相關研究人員，部分人員參與多個方向。
精選論文
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Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry
Science 381, 325–330 (2023)
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Nature Materials 23, 224–229 (2024)
04 先進材料生長與整合
Advanced Materials Growth and Integration
研究重點
本方向研究材料生長、結構與物性之間的關係，建立支撐量子與光子研究的材料平台。透過分子束外延、功能分子插層與異質結構工程，探索成分、結晶度、缺陷及界面的精準控制，並研究材料由局部樣品走向大面積製備與器件集成所需的工藝條件。
研究主題
分子束外延與單晶生長
研究過渡金屬硫族化合物等低維材料的外延生長，優化襯底、溫度與生長條件，探索單晶薄膜、異質結構及大面積材料製備。
功能分子插層與雜化超晶格
發展化學插層、電化學插層及分子層沉積等方法，研究磁性、鐵電性與手性分子的引入，以及分子結構和界面物性的關聯。
異質結構、界面與原位表徵
結合結構、形貌與光譜表徵，分析插層均勻性、缺陷及界面演化，建立製程、微觀結構與物理性能之間的聯繫。
大面積加工與器件集成
探索材料轉移、薄膜沉積與圖案化加工，研究器件接觸及集成過程的影響，並發展複合功能器件與超導二極管等研究平台。
潛在應用與展望
為光電器件、量子輸運及其他研究方向提供高品質材料，並探索面向量子互連、傳感及非互易器件的材料與製程基礎。大面積製備與集成屬持續研究重點。
為其餘三個方向提供材料基礎，並與「量子系統與新興量子自由度」共同探索分子插層及界面調控所帶來的新物態。
閱讀相關方向相關研究人員
以下按研究主題列示相關研究人員，部分人員參與多個方向。
精選論文
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Oriented lateral growth of two-dimensional materials on c-plane sapphire
Nature Nanotechnology 18, 1289–1294 (2023)
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Nature Nanotechnology 18, 448–455 (2023)
跨方向的研究能力
各方向結合成員研究平台與可使用的共享設施，形成材料、結構、物性及器件之間的研究聯繫。
材料生長與界面研究
分子束外延、低維材料合成、功能分子插層及異質結構構築，連接材料製備與量子物性。
微納結構與器件加工
光子結構設計、電子束光刻與微納加工，支撐局域光場調控及集成器件研究。
光學與電學表徵
超快光譜、光致發光、低溫強磁場輸運與顯微表徵，研究材料與器件的結構、響應及動力學。
理論、計算與量子模擬
電磁與量子理論、數值計算及可控量子平台，幫助理解實驗現象並提出新的研究方案。