研究领域为凝聚态物理和物理化学，主要从事表面科学和扫描探针显微学的研究。长期致力于尖端扫描探针显微术的自主研发，以实现电子态、核量子态、振动态、光子态、自旋态等多自由度的极限探测和操控，以及这些技术在单分子和低维材料研究方向的应用。相关显微镜专利技术成功实现转让并完成了国产化样机，核心参数达到国际领先水平，有望打破我国高端扫描探针显微镜长期依赖进口的被动局面。代表性研究成果包括：

1.     研发了一套新型qPlus扫描探针显微术，刷新了扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度，以原子级精度揭示了水/冰的复杂形态和新奇效应，在多个学科领域产生了广泛影响。【Science 377, 315 (2022), Nature 577, 60 (2020), Nature 557, 701 (2018), Nat. Commun. 9, 122 (2018), Science 352, 321 (2016), Nat. Phys. 11, 235 (2015), Nat. Mater. 13, 184 (2014), Nat. Commun. 5, 4056 (2014)】

2.     研制出国内首台超快扫描隧道显微镜，同时实现飞秒级时间分辨和原子级空间分辨，在原子尺度上跟踪金属氧化物表面单个极化子的非平衡动力学过程。【Phys. Rev. Lett. 124, 206801 (2020), Surf. Rev. Lett. 25, 1841003 (2018), Chin. Phys. B 27, 077301 (2018)】

3.     研制了国际上首台qPlus型扫描量子传感显微镜，创新性的将扫描探针技术用于精准操控单个固态量子比特（金刚石氮-空位色心），实现了单个金刚石色心电荷态和相干性的可重复操控，并利用金刚石色心探针首次获得了外电场的纳米级空间分辨成像。【Nat. Phys. 18, 1317 (2022), Nat. Commun. 12, 2457 (2021)】

4.     将高分辨扫描探针显微镜应用于多种二维材料结构和物性的原子级表征，在拓扑物态、强关联效应、催化、防腐蚀、场效应管等方向取得系列进展。【Nature 586, 390 (2020), Nature 406, 581 (2020), Angew. Chem. 132, 18094 (2020), Nat. Commun. 10, 1348 (2019), Sci. Bull. 64, 1750 (2019), Nano Lett. 18, 2937 (2018), Adv. Mater. 30, 1702944 (2018), J. Am. Chem. Soc. 139, 10216 (2017), Science 333, 324 (2011)】

近年来在国际顶级学术期刊发表多篇文章，其中包括：《科学》3篇、《自然》7篇、《自然》子刊10余篇，受到国内外学术界的广泛关注和认可，受邀在美国物理学会年会、德国物理学会年会、美国化学学会年会、国际真空大会、美国真空学会年会等100余个重要国际学术会议上作邀请报告（其中20余次主旨/大会报告）。受邀在Nature Reviews系列、Surface Science Reports、Accounts of Chemical Research、Progress in Surface Science、Journal of Chemical Physics等著名期刊上撰写综述文章。申请中国专利10 项，其中授权8项、转化2 项。