实验室以低维量子体系为研究对象，瞄准国际最新科学前沿和关键科学技术问题，研究低维量子材料与结构的制备和纳米尺度上的生长动力学，致力于精密极端条件下的量子输运、扫描探针显微技术和精密光学测量技术的发展，通过理论与实验的密切合作，探索低维量子体系的新奇量子现象、量子调控的新原理和新方法，探索低维量子体系在未来信息技术和能源技术的应用。具体包括：

（1）低维量子材料与结构的制备和生长动力学研究

• 原子尺度上低维量子结构和纳米结构的生长动力学研究；
• 拓扑绝缘体薄膜、超导/磁性/拓扑绝缘体、热电/铁电等异质结的制备；
• 界面与低维超导系统的制备；
• 碳纳米材料、功能纳米材料的制备与自组装研究；
• 囚禁和凝聚原子/分子/离子量子体系的制备。

（2）精密极端条件实验技术和方法研究

• 高能量分辨的扫描隧道电子谱和原子力谱研究；
• 极低温强磁场中电/磁/热输运测量技术的研究；
• 超灵敏光谱技术的研究；
• 激光冷却技术、离子囚禁、存储技术研究。

（3）低维量子体系的新奇量子现象研究和应用

• 拓扑绝缘体和二维狄拉克电子体系的量子现象研究，及其在自旋电子学和拓扑量子计算中的应用探索；
• 热电、铁电、多铁超晶格及其异质结的量子现象研究；
• 高温超导机理研究，超导体在信息技术中的应用研究；
• 低维光晶格和囚禁原子/离子等体系中的量子现象研究，及其在量子信息处理和量子保密通讯中的应用研究。

（4）低维量子体系的设计与基础理论研究

• 超越单粒子近似的理论方法研究；
• 低维量子体系电子态、多电子态的关联现象及效应的理论；
• 新型拓扑绝缘体的理论设计与模拟计算；
• 拓扑绝缘体和石墨烯结构的量子器件原理；
• 新型离子阱的理论，光晶格的物性和量子态调控的理论研究。