GaN材料具有优良的物理特性，在光电子器件领域有广泛的商业应用前景。高质量超薄层GaN材料的生长对制备低维半导体量子结构和器件至关重要。低速生长GaN有利于精确控制器件超薄层的厚度和异质界面。因此，研究低速生长高晶体质量GaN具有非常重要的意义。

本文利用等离子体辅助的分子束外延技术，对GaN的低速生长进行了全面和细致的研究，对较大生长条件范围内的GaN材料生长特性得出了有价值的分析结果。本文总结了GaN的MBE低速外延生长机制。根据原位RHEED图样、表面形貌和发光特性，其外延生长可以划分为三个特征明显的生长区域，即Ga droplets、slightly Ga-rich和3D。条纹状的RHEED图样、平滑且具有清晰原子台阶的表面形貌以及强度很低的黄光带和蓝光带等实验结果证明了在适当的温度窗口内选取slightlyGa-rich生长区域有利于获得高晶体质量的GaN材料。研究结果还显示GaN的生长速率表现出对生长温度很强的依赖性。因此，低速生长超薄层结构和器件时需要特别注意温度对生长速率的影响。本文还讨论了在低生长速率下GaN的掺杂技术，并获得了高空穴浓度的p型材料。本文的研究结果可以作为MBE低速外延生长高晶体质量GaN的重要指导，对促进GaN基低维结构的制备和器件研究具有重要的意义。

高维纠缠为量子通信、量子计算和量子光学相干层析等量子技术提供了宝贵的资源，更高的维度通常意味着在量子任务中获得的信息容量更大、计算能力更强、精度更好，所以研究如何获得高亮度和高维度的纠缠源具有重要意义。

本文提出和演示如何利用100 GHz自由光谱程的可调谐非对称马赫-曾德干涉仪耦合的硅基微环来获取高维纠缠。基于可调耦合器的策略，我们获得了宽调谐范围的微环品质因子，优化了双光子对的产率。通过从超过30对模式的双光子频率梳中选择和表征28对，获得至少23.4的施密特数和19.9 MHz/mW²的片上光子产率，该双光子在频率希尔伯特空间的维度为547 维。该微环结构设计还可以扩展到氮化硅和铌酸锂等其他材料中。本研究获得的低功耗高维频率纠缠将推动量子光频梳和片上高维量子信息处理的发展。

近年来，TaAs，NbAs，TaAs₂，NbAs₂等二元磷族半金属由于具有拓扑非平庸电子结构、负磁阻、外尔费米子、强磁场下不饱和磁电阻等原因，受到了研究人员的广泛关注。V与Nb和Ta同属VB族元素，但之前对VSb₂的物性研究较少。本文通过Sb自助溶剂法生长了V_1-δSb₂单晶，发现样品中存在V原子空位。通过对V_1-δSb₂比较系统的电输运，比热和磁化率测量，发现该体系具有较大的纵向磁阻和明显的弱反局域化效应。

平带电子结构一般是强关联现象的温床，在凝聚态物理中，平带区域的动能几乎不随波矢变化，意味着体系中有很大的能态密度。此时系统对动能的影响有限，对势能的作用就会十分明显，一些强关联的现象就会出现。本文在对V_1-δSb₂晶体的研究中发现其磁化率和比热在低温7 K以下发生了反常的增大。作者首先排除了磁有序和反铁磁性的影响，然后结合能带计算分析，认为这是由于V_1-δSb₂晶格在低温下发生畸变，致使平带靠近或者穿越费米面造成的。这些发现表明V_1-δSb₂可以为研究平带电子结构的奇特物性提供理想平台。

脑成像一直是生物医学成像研究的热门方向之一。声学分辨率光声显微镜系统具有光吸收对比度高、穿透深度大、成像分辨能力强的优势，可以提供一定深度范围内小动物脑部血管的高分辨率图像。但是，由于脑组织上方存在复杂的声散射层状媒质（如颅骨层、头皮层等），光声信号在传播过程中会发生多次反射，并在深层组织的图像上产生伪像。因此，如想利用光声成像技术做无损穿颅成像，该问题会严重限制此技术的正常使用。

针对此问题，本工作提出了一种结合声学分辨率光声显微镜和超声显微镜成像的低伪像光声显微镜成像技术，可以抑制多层声散射媒质产生的反射伪像。由于光声信号和超声回波传播特征的相似性，超声回波可以用来得到抑制反射伪像的传递函数，从而得到低伪像的光声图像。我们将该方法应用于无损的小鼠活体穿颅成像实验中，结果表明本方法可以成功地得到低伪像的脑成像结果。

本工作实现了一种在不破坏生物组织的前提下，有效提升光声穿颅成像图像质量的方式，在生物医学成像领域具有重要价值。

具有自旋轨道耦合的约瑟夫森结中可出现一些新奇的物理效应，比如约瑟夫森𐐐₀结、超导自旋三态配对和Majorana零能模等。这类约瑟夫森结的典型结构是具有强自旋轨道耦合的材料和普通超导体形成的三明治结构，其性能严重依赖于界面的质量。所以，具有异质界面的约瑟夫森结的实验研究往往会受到诸如缺陷和无序等非本征效应的干扰。

本文作者使用具有自旋轨道耦合的新型异维超晶格材料V₅S₈，利用其对超导体Al的强反近邻效应，制备了一种具有特殊结构的约瑟夫森结，其高透射率的同质界面使约瑟夫森结免受无序等外界因素的影响，为研究自旋轨道耦合与约瑟夫森效应之间的本征相互作用提供了平台。实验观测到这种约瑟夫森结中对称性破缺的夫琅禾费衍射图案，表明了结中不对称的超流分布来源于V₅S₈中特殊的自旋轨道耦合。本研究演示了具有自旋轨道耦合的约瑟夫森结中反常的本征约瑟夫森效应。

在具有电子半满填充的晶格体系中，强的库仑相互作用会导致电子电荷自由度被冻结，形成强关联莫特绝缘体。通过对莫特绝缘体掺杂，许多新奇的物理现象如非费米液体行为、电荷密度波、高温超导、赝能隙等将会出现；而理解掺杂莫特绝缘体的电子行为是当前凝聚态物理研究中十分令人关注且具有挑战性的问题。

作为一类掺杂莫特绝缘体，由金属诱导的半导体表面再构体系所展现出的奇异量子相变、低维超导电性和关联等性质，已引起了研究者的广泛兴趣。本文选择具有莫特绝缘基态的Sn/Si(111)-(√3 ×√3)R30°体系为研究对象，通过Si(111)衬底对其进行调制掺杂，并利用低温扫描隧道显微镜技术研究了该体系在欠掺杂区域的电子结构；观察到在费米能级处存在一个不依赖于磁场但随温度升高而被逐渐抑制的赝能隙，其大小随局域掺杂的增加而减小，表现出与铜氧化物高温超导体中赝能隙非常类似的行为。

二维半导体材料中的结构缺陷，如零维的点缺陷和一维的晶界，对其机械、电学、光学和化学性质的调制起着重要作用。虽然传统的原子分辨率成像技术，如透射电子显微镜和扫描隧道显微镜，可以直接对结构缺陷进行成像，但它们只能提供局域的信息，并且操作过程复杂，不能够满足对大面积二维半导体中的缺陷进行快速表征的要求。为了解决上述问题，我们发展了一种简单的缺陷探测方法，采用弱氧化剂刻蚀二维半导体中的结构缺陷并进行放大，可以直接在大尺度下实现二维半导体材料中结构缺陷的可视化。

利用这种缺陷可视化技术，我们研究了几种不同方法制备的单层MoS₂中的缺陷，发现 CVD 生长的百微米以上大晶畴单层MoS₂中的缺陷密度可以低至10⁶–10⁷ cm^-2，相对于以前在CVD生长的小晶畴单层MoS₂中的缺陷密度通常为～10¹³ cm^-2，具有5-6个数量级的降低。这些结果有助于我们了解单层MoS₂中的结构缺陷和性能之间的构效关系，并为其构造高性能的电学、光电器件提供了参考。此外，我们也发现刻蚀出的凹坑的边缘结构是硫截止还是钼截止可以通过改变溶液的浓度来调节，从而提供了按需获得特定类型截止边界的机会。

铜氧化物高温超导体在正常态表现出许多奇特的物理性质，其中一个最突出的反常特征是赝能隙的存在，即在超导转变温度T_c和赝能隙转变温度T*之间存在能隙。揭示赝能隙的物理本质及其与超导电性之间的关系是高温超导研究中的核心问题。关于赝能隙的起源至今仍然存在争议，可能的原因主要包括电子预配对或者来源于一些竞争序。其中，电子预配对表现为粒子-空穴对称性守恒，而竞争序则可能导致粒子-空穴对称性破缺。因此，研究铜氧化物高温超导体在赝能隙态的粒子-空穴对称性对理解赝能隙的起源具有重要意义。

本文作者通过高分辨率激光角分辨光电子能谱仪对最佳掺杂的Bi₂Sr₂CuO₆超导体(T_c=32 K)进行测量，发现费米面的拓扑结构和能带结构在T*温度(T*~150 K)上下没有出现突然的变化，在超导态和赝能隙态沿整个费米面的电子结构和能隙结构均满足粒子-空穴对称性。这一结果表明，在最佳掺杂铜氧化物高温超导体的赝能隙态，粒子-空穴对称性保持守恒，为理解赝能隙的起源及其与高温超导电性之间的关系提供了重要的实验证据。

传统冯·诺依曼计算机在大数据、非结构化信息处理中存在能效低等方面的局限性，因此开发新的计算策略备受重视。研究表明，大脑神经系统具有优越的数据处理能力，其功能主要源自大脑神经系统高度复杂的神经网络结构以及集信息处理和信息存储于一体的神经元和突触结构。因此，采用神经形态器件设计基于硬件的人工智能(AI)技术受到了极大的关注。与此同时，大脑感官系统的感知活动使我们能够适应外部环境并快速处理实际的互动问题。然而，传感器感知的信息在人工感知系统的长程传输过程中容易被非法获取。因此，需要设计信息加密策略，以确保信息传输的安全性。在本工作中，我们提出了一种用于信息编码和加密应用的柔性触觉感知平台。溶液工艺制备的PDMS触觉传感器作为仿生皮肤触觉受体，而ITO双电层晶体管作为神经形态晶体管，将触觉传感器与晶体管连用即可作为触觉感知平台对触觉信息进行处理。XNOR逻辑电路用于加密和解密触觉感知信号，这使得在整个感知平台中传输的信息是被加密的信息，因此可以有效避免触觉信号的非法获取。该系统在智能可穿戴设备和高级远程人机交互系统中具有一定应用潜力。

拓扑量子计算是一个竞争激烈、受到广泛关注的研究领域。其中基于拓扑材料的约瑟夫森结由于可能存在马约拉纳零能模(MZMs)并且可能进一步构建拓扑量子比特，使其成分重要的研究分支。为了操控MZMs，研究他们的非阿贝尔交换统计性质以及实现拓扑量子比特，一种基于拓扑绝缘体的Corbino几何构型的约瑟夫森结的方案被提出。这种构型的约瑟夫森结不仅具有屏蔽磁场波动的优点而且可以保护安德列夫束缚态（ABS）免受外界环境影响。

在本文中，我们首次成功的在拓扑绝缘体Bi₂Te₃的表面上制备了Corbino几何构型的约瑟夫森结。我们观察到了临界超流与磁场的阶梯状振荡。当添加微波辐照时，电流电压曲线上出现分数夏皮罗台阶。通过使用电阻分流约瑟夫森结模型（RCJ model）分析实验数据，我们发现Corbino几何构型的约瑟夫森结表现出高透明度的超流相位关系，这是器件中存在MZMs的一个重要特征。我们的实验结果表明，Corbino几何构型的约瑟夫森结可能是一个研究马约拉纳零能模相关物理学的有前景的平台。

神经形态计算机不仅具有低功耗的优点，而且能大大提高执行复杂任务（包括识别、控制和决策）的效率，因此备受关注。自旋器件凭借着其超快的动力学特性和良好的耐久度，在神经形态计算领域展现出很大的竞争潜力。其中，补偿的亚铁磁综合了铁磁和反铁磁的优势，即丰富的磁化操作(写/读)、超快和节能的自旋轨道力矩翻转，这些优势使亚铁磁有希望成为神经形态计算硬件的候选者之一。然而，关于亚铁磁神经形态计算功能的研究很少，开展相关研究有利于推动基于自旋电子学的神经形态计算。

本课题组通过磁控溅射生长具有垂直各向异性的Co/Gd亚铁磁多层膜，研究了不同面内和垂直各向异性场对Co/Gd亚铁磁翻转可塑性的影响。我们证明了当磁畴成核在Co/Gd磁化翻转占主导时，二态翻转特性能够被谐调成多态翻转。这种优异的翻转可塑性使得Co/Gd亚铁磁有望应用于神经形态计算。该工作的创新性在于：一方面，我们利用Co/Gd亚铁磁的多态磁化翻转实现了生物突触特有的脉冲时间依赖可塑性；另一方面，我们将Co/Gd亚铁磁用作神经元构建了一个三层人工神经网络，该网络能够很好地识别MNIST的手写体数字，准确率超过97%。因此，本文不仅为设计多态自旋电子器件提供了一种思路，而且演示了自旋器件用于高性能神经形态计算的可能。

近年来，基于钇铁石榴石（YIG）的腔磁振子学研究越来越丰富，其中的非线性效应备受关注。自旋波的Kerr效应是其中重要的非线性效应之一：自旋波频率在高功率微波驱动下会向更高或者更低频率的方向移动。当来回扫描磁场、驱动频率或者驱动功率时，自旋波频率移动会展现双稳特性。然而，不同模式的自旋波之间在此过程中是否也存在相互作用？

在本文所研究的腔磁振子系统中，作者分析了YIG小球中两个自旋波模式在微波驱动下的相互作用。研究发现，分别单独驱动这两个模式，未被驱动的模式也展现出和驱动模式相似的频率移动和频率移动双稳行为。同时，通过热电偶测量YIG小球在微波驱动下的温度变化，发现小球温度同样展现出温度双稳的特性，且和频率变化同步。本文发现无论是自旋波频率双稳还是YIG小球的温度双稳都来源于被驱动自旋波模式的激发数双稳。自旋波激发数在微波驱动下快速增加，由于自旋波的自旋-晶格弛豫过程而使得小球温度升高，从而改变了小球的饱和磁化强度和磁晶各向异性能，最后改变了其他自旋波的频率。因此在YIG小球中，不同自旋波模式可以通过温度为中介而相互作用。

本工作揭示了在腔磁振子系统中自旋波在高功率微波驱动下温度诱导的频率变化，也为磁振子系统增加了新的调控自由度。