1. 超导体量子磁通涡旋物质：超导具有零电阻和完全抗磁性的特性，在能源、医疗、国防、交通等诸多领域具有重要的应用价值。超导的研究对固体物理、量子力学的发展也起到了重要的推动作用，一直处于凝聚态物理研究的前沿。目前，已有十位物理学家因为与超导有关的研究工作而获诺贝尔奖。磁通涡旋物质是超导物理研究中的一个重要内容。涡旋物质的相互作用及其动力学行为决定了超导体几乎所有的电、磁学特性。通过磁通涡旋物质的研究不仅可以深入理解超导材料的物性和超导机制，也为超导在强电和弱电领域的应用提供重要的指导。 此外，磁通涡旋物质可以作为研究多体相互作用的一个重要体系，并可用于设计基于磁通涡旋的量子化器件。本课题组致力于超导磁通涡旋物质的实验研究，采用具有特色的低温微区磁场成像设备和宏观物性表征手段从实验上研究超导薄膜、晶体材料中的磁通涡旋物质调控及其动力学行为，并为超导材料的产业化应用提供指导。
2. 结构阻挫与新型人工自旋冰体系探索：阻挫体系展现出极为丰富的物性，是基础物理研究的前沿领域。当前，结构阻挫的主要研究对象是基于纳米磁体设计的人工周期性结构。该体系由于较弱的纳米磁体间相互作用以及有限的调控手段，使其在结构阻挫的研究中具有一定局限性。我们致力于设计、开发新型的结构阻挫研究体系，围绕当前该领域悬而未决的关键科学问题开展研究工作。
3. 量子晶体生长、微纳加工及器件制备：高质量的晶体材料是基础科学研究与工业应用的重要载体。围绕超导、二维材料、多铁性材料、拓扑量子材料等，我们利用光学浮区法、助溶剂法、气相输运法、提拉法等开展了一系列单晶材料的生长，并对其宏观和微观物性开展了多维度的研究工作。
课题组承担的科研项目
2023-2025 上海市特聘教授“东方学者”跟踪计划
2022-2025 国家自然科学基金（面上）
2020-2022 上海市青年拔尖人才计划
2019-2024 国家重点研发计划子课题
2019-2021 国家自然科学基金（青年）
2018-2020 上海市特聘教授“东方学者”计划
2015-2017 比利时弗拉芒政府科学基金
部分研究成果简介如下：
超导体磁通涡旋物质的精确调控
扫描隧道显微镜(STM)凭借其原子尺度的空间分辨率和局域电子态密度的探测能力目前被广泛的应用于凝 聚态物理的研究中。同时 STM 可以精确的调控原子的分布，从而使原子尺度器件的设计成为可能。在超导体的研究中，STM是唯一在高磁场下具有单量子磁通成像的探测手段。然而利用STM对超导体以及磁通涡旋物质在微观尺度上进行调控的能力依然空缺。我们把STM与扫描霍尔显微镜相结合，利用STM隧道结产生的热量在微纳尺度上对超导体进行加热来调控超导电性，从而实现了磁通涡旋的精确调控。该微纳加热器的功率可以通过隧道电压来精确调节。基于此，我们可以实现在超导体局部区域探测Kibble-Zurek相变。同时利用STM的高分辨率，实现了对磁通涡旋的精确移动，可将其排列成任意结构。首次将 STM 的功能从移动单个原子扩展到了移动量子化的磁通涡旋。这为将来设计基于磁通涡旋的量子器件提供了一个重要的工具。我们进一步利用该方法，实现了无需外磁场的条件下在超导体内部任意位置控制磁通涡旋的人工制造。该方法被评价为继传统教科书中两种磁通涡旋产生机理之外的第三种方法。此外，我们实现了在微纳尺度超导体中利用限域效应有效调控涡旋磁通量。以上相关结果发表于《Nature Communications》和《Nano Letters》等期刊。
超导体Meissner态类磁偶极子现象：从 B=0 到 B=1+(-1)
传统Meissner态物理图像认为在超导体内部B=0。我们首次揭示在真实的超导体中B=1+(-1)。超导体中普遍存在的钉扎中心导致迈斯纳电流重取向，在钉扎中心位置形成了类磁偶极子的现象，磁感应强度从传统认知的B=0变成了B=1+(-1)，从而极大的改变了超导体内部磁感应强度的空间分布。通过在超导体中引入人工钉扎中心，可以精确的调控磁偶极子产生的位置和强度。该类磁偶极子可以被看作是量子化的磁通涡旋的前驱，在临界电流密度下导致了磁通涡旋退钉扎。当电流强度增大到一定程度时，这些钉扎源将会周期性的产生量子化的磁通涡旋。研究表明通过对钉扎源的设计减小磁偶极子的强度可以很好的提高超导体的临界电流密度。该研究结果为麦斯纳态发现以来的传统物理图像提供了新的认知，对工业上提高超导体再留能力的设计提供了一个新的思路。相关结果发表于《Nature Communications》和《Physical Review B》等期刊。
涡旋拓展应用：人工自旋冰基态结构研究
在人工自旋冰领域，Kagome体系的基态磁结构被认为是该领域悬而未决的六大难题之一。针对传统人工自旋冰体系纳米磁体间相互作用弱，长程有序的基态实现难，相变机制模糊的关键科学问题，我们将利用前期发现的类磁偶极子现象结合微纳结构超导体设计，构建了自旋冰基态磁结构，且首次利用电流实现该磁结构的开关控制和强度调节，并且将该磁荷结构与磁通涡旋相耦合实现单极磁荷的擦写。我们进一步拓展该人工结构设计思路，构建了宏观尺度的结构阻挫新实验平台，首创了赝自旋生长的方式，有效减少高简并体系激发态，在Kagome结构、三角格子Ising反铁磁模型中实现了自旋、磁荷双重有序的磁结构，解决了困扰该领域十余年的基态磁结构难题。该方向相关结果在CELL出版社物理学旗舰期刊Newton（入选preview文章）、Nature Commun.、Phys. Rev.B（编辑推荐文章）等发表，并申请发明专利2项。
