碳纳米管单量子体系的构筑及其单量子态的精密探测

研究构筑和直接探测单量子态的物理特性，以及它与信息、材料、能源和化学交叉学科的发展孕育着重大科学突破的机遇，是具有战略意义、富于挑战性的前沿基础课题之一。本项目拟在重大研究计划"单量子态的探测及相互作用"的框架下，提出开展碳纳米管量子体系的构筑及其单量子态精密探测的基础研究。碳纳米管是理想的一维量子材料，本项目将以从量子力学发展形成的时空观、运动观和物质观来研究碳纳米管单量子态的物理特性，揭示其量子现象和效应的基本规律以及其潜在的应用价值。探索碳纳米管单量子态体系的构筑和精密探测的新技术与方法，研究消除多量子态混合以及统计涨落影响的探测方法，为发现新的量子现象和量子效应建立物质基础；研究碳纳米管单量子态的探测、量子态间的耦合及与环境的相互作用，进而发现新奇量子效应和基本规律。为从单量子态水平上理解其基本量子现象和机理，为发展新的量子探测手段和量子器件提供科学依据。

单量子态构筑及相互作用研究是未来信息、能源等领域的知识基础和技术准备，在这些领域碳纳米管是未来15年最有希望的新生材料之一。在重大研究计划的框架下，我们一方面研究以碳纳米管为基构筑单量子态等基本科学问题，另一方面研究其单量子态的精密探测方法和技术等问题。研究工作按照项目计划书进行。主要将研究力量集中在碳纳米管中单量子态的制备和检测上，注重设计和发展碳纳米管单量子态的精密检测技术，精确表征和探索碳纳米管单量子态的基本特性，逐个攻克难点，争取获得突破，以探索碳纳米管量子态间的耦合及与环境的相互作用，开展碳纳米管多功能化基础研究。根据碳纳米材料研究的发展形势，结合本项目的研究目标，将研究内容从一维碳纳米管适当扩展到二维石墨烯的相关方面研究，对理解一维碳纳米管的物理现象和本质很有必要。. 经过四年的努力，本研究团队完成了预期研究计划。围绕着项目研究目标开展研究工作，克服实验上的困难，在解决碳纳米管量子态的纯化、碳纳米管单量子态的结构表征和准确描述、微弱信号探测和消除多量子态的混合以及统计涨落的影响等研究难点和关键科学问题上下功夫。发展了SEM下直接区分金属性和半导体性碳纳米管的方法，制备出了基于全单壁碳纳米管的器件；发展了基于光电激发的声子态制备方法和基于电声相互作用的声子态探测方法，研究了碳纳米管中声子态随时间演化的动力学和弛豫过程。研究了单个碳纳米管环和单个石墨烯纳米环在外场下的行为；还研究了碳纳米管和石墨烯中的光-电相互作用、电声相互作用，以及碳纳米管多功能化在信息、能源与环境等应用中的关键基础问题。取得了一些有意义的研究结果。尤其是解决了长期严重困扰构筑碳纳米管单量子态的关键科学技术问题，一方面获得了干净表面且单一结构的小直径半导体性单壁碳纳米管，另一方面实现了单根单壁碳纳米管螺旋度的原位快速确定，从而制备出了呈现单量子态特征的碳纳米管的结构和材料，能够真正实现碳纳米管单量子体系及单量子态的构筑，确保该项目研究深入进行和取得更重要的成果。. 通过本项目实施，培养出站博士后2名，博士毕业生6名，硕士毕业生4名，在研研究生11名；已发表SCI收录学术论文41篇，发表在影响因子为6.0以上刊物的论文共24篇，占已发表论文数的58.5%；国际会议邀请报告4人次；申请发明专利6项，其中，中国专利5项（含已授权1项），已授权美国专利1项。