（一）软物质微结构及探针材料：主要以生物大分子、纳米生物成像探为研究对象，以电子显微成像、多模式成像、磁共振成像为研究手段，发展冷冻电镜三维重构及基于氮空位色心的磁共振成像理论，解析系列生物大分子原子结构、构建多模式生物成像及诊疗一体的纳米平台。

（二）新型能源材料与器件：通过调控材料微观结构、形貌来构筑新型催化剂材料以及能源器件，致力于研发出在不同PH值电解液或海水中表现出高活性的非贵金属电解水析氢、析氢催化剂或双功能催化剂。

（三）量子结构与量子器件：主要以微纳结构受限量子光学系统和超导量子电路系统为研究对象，以理论探索和实验研究相结合，建立超越标准量子极限的光力量子精密测量的相关物理理论，实验实现超导量子电路对原子物理和量子光学物理效应的量子模拟。

（四）量子材料功能设计的理论与计算：主要以新兴低维量子材料为研究对象，以固体量子理论为基础，构筑新结构、发现新物态，研究新奇的量子现象和基本物理规律，发展对量子现象调控的理论和技术。