1）量子物态与新原理器件

开展新物态新原理器件研究，突破现有场效应晶体管的材料体系与工作机理。研究电荷、自旋、轨道、晶格之间的相互耦合导致的量子物态，利用单量子态或集体激发的几何性质来实现新的器件功能，如量子材料中的激子体系可展现激子的玻色-爱因斯坦凝聚[Nature communications, 8, 1971（2017），被引148次]、压缩相干态和纠缠态激光[Nature Nanotechnology, 17，396（2022）]；基于激子极化激元的非线性性质，设计了新型的光开关器件[Nature Communications, 14，1512  (2023) ]。构造基于波函数几何性质的非易失性记忆存储效应[Nature Physics, 16, 1028, (2020)，被引111次]。这些量子现象为实现原子尺度量子态的控制提供了微观理论基础，为设计高性能低功耗的非易失性存储器开拓了新的思路。

2）新计算范式研究

面向当前大数据、人工智能快速发展对算力的需求，研究非冯·诺依曼架构的新计算范式，比如类脑计算、量子计算及相应的计算、存储器件载体。探索外场下的记忆存储效应，如温度驱动的非晶和晶体相变、二维铁电相变，磁场驱动下的量子相变，实现类脑计算[Science Advances 9,21 (2023)]。另一方面，量子计算作为突破摩尔定律和经典计算物理极限的颠覆性技术，近年来取得了重大的进展。其中半导体量子计算技术与当前集成电路量产技术兼容性最好，具有大规模集成扩展的前景。开展半导体量子点、浅掺杂、电子结构和自旋特性等的理论计算与实验研究 [Phys. Rev. X, 13, 011017 (2023)]，为量子模拟、计算实用化开展先期科学探索和技术储备。

3）磁性拓扑态的机理及器件研究

以磁斯格明子等为代表的拓扑磁结构是人类近年来发现的新型信息载体。由于受到拓扑保护，它们具有状态稳定、非易失、尺寸小、低功耗、超低驱动电流等诸多优点，从而为未来信息技术发展提供全新的机制。研究磁斯格明子本质上要研究磁相互作用，即通过第一性原理计算垂直磁各向异性[Phys. Rev. B 84, 054401 (2011)，被引740次]、反对称交换耦合（DMI） [Nat. Rev. Phys. 5, 43（2023）；Phys. Rev. Lett. 115 , 267210（2015）；被引696次]，利用获得的参数做微磁模拟，在多种表、界面、二维和多层堆叠结构等探讨设计磁斯格明子材料体系，从而更进一步的认识理解磁斯格明子形成的微观机理，提供磁斯格明子的具体参数及设计思路。

理论上提出了DMI力矩这一全新的磁写入方式[Phys. Rev. Lett. 130, 056701 (2023)]，为实现全电压控制的低功耗磁随机存储器（DMI-torque MRAM）提供理论基础，并构造了磁斯格明子基全逻辑门[National Science Review 9, nwac021(2022)]。 这些发现为设计更高的信息存储容量、更低的功耗、更快的读写以及运算速度，同时保证信息存储的非易失性和抗干扰性等，突破冯·诺依曼架构的局限，发展兼具运算、存储及智能学习功能的高度集成化多功能器件提供了物理基础。

4）场效应晶体管极限微缩条件下的新物理

随着晶体管尺寸向原子尺度极限不断逼近，摩尔定律面临失效。这迫切需要研究沟道的量子特性以及不同器件之间的长程关联和集体行为。研究极限微缩条件下的电子和声子的量子效应的特征和调控规律，从而支撑后摩尔时代三维集成电路的电、热特性分析与优化设计。研究沟道外超薄栅介质中介电常数调控手段，反铁电材料的电偶极子实现介电常数增强的机理。探索有效增强逻辑器件栅控或者增大DRAM电容的新型高κ材料。研究栅介电层中非晶结构缺陷与声子非辐射跃迁，得到器件老化规律寻找有效提升可靠性的方案。

5）量子材料的Floquet工程

在量子材料领域，通过光与物质的相互作用来调控量子态已经成为凝聚态物理学中的一个新范式。其中Floquet工程是通过周期驱动从而调控量子系统的典型方法。这个领域借助了快速发展的微波和激光技术，在原本性质简单的材料中发现了各种具有奇异量子特性的非平衡人工物态。

Floquet工程的目前关键科学问题包括：1）对于开放非平衡关联系统的刻画[ Nature reviews physics, 2, 229 (2020) ]；2）通过周期驱动诱导出奇异量子态，例如调控磁交换相互作用，将石墨烯驱动至Floquet拓扑态、在超导约瑟夫森结中实现Floquet-Andreev态等。其潜在的应用场景包括：1）通过微波或激光在量子材料中产生新物态，如Floquet拓扑绝缘体、Floquet费米液体、Floquet类手性马约拉纳模式；2）实现新的非线性光电现象和能量转换，例如红外波段的光伏效应和高效的圆偏光放大[Phys. Rev. B. 107, 125151 (2023)]。

Floquet工程的目标是通过驱动量子材料，实现其在平衡态下无法实现的新现象和新应用，从而实现具有新奇电子、磁性和光学性质的非平衡人工物态，为信息技术、能源转换和许多其他领域带来革新。