解放后物理所的科学发展 | 物理所九十周年所庆专刊

解放后物理所的科学发展

1 学科发展

作为中国成立最早的国立物理学研究机构，物理所的成长轨迹几乎与近代物理学在中国的发展同步。她陆续开展了光谱学、磁学、结晶学、金属物理、地磁观测及物理探矿等多领域的研究，率先开创了半导体物理、低温物理、固体发光等多个学科，为推动近代物理学在中国的生根发芽奠定了坚实基础。无论是国民政府时期的中研院物理所和北研院物理所，还是中华人民共和国成立后的应用物理所以及更名之后的物理所，都致力于开拓物理学研究领域，推动物理学在中国的发展。在学科建设上，结合不同时期的实际，以服务国家需要为己任，不断进行调整、凝练和完善，形成了自己的学科特色。

表1 物理所在国内创建的学科

新中国成立后，借助中研院物理所和北研院物理所的基础，应用物理所组织开展光谱学、应用光学、磁学、结晶学和金属物理研究，设有光谱学、应用光学、磁学、结晶学和金属物理5 个研究室及光学仪器厂。1953 年，中国科学院确定应用物理所以发展固体物理为主要研究方向，同时担负起一定的工业技术任务，为经济及国防建设服务。为此，应用物理所在国内率先开展了半导体物理、低温物理和固体发光等领域的研究，随后又相继开展声学、物化分析等研究工作。经过不断地发展、调整和完善，物理所先后设立了光谱学、磁学、晶体学、低温物理、高压物理、固体理论、电介质物理、电子仪器、物化分析、激光、等离子体物理、空气声学、超声、相对论与引力物理等研究室，形成了物理领域学科齐全的基础和应用研究布局。

当时我国与西方先进国家没有学术交流、没有贸易往来，我们没有进口先进设备，创建新的学科只能自力更生，白手起家，填补了国内研究的多项空白。特别是1956年国家制定12年科学发展规划之后，因为科研机构调整，物理所有十多个学科先后成建制或部分划分出去。表1 为物理所先后建立的学科情况，表2列出了物理所输出的学科。

表2 物理所输出的学科

进入80 年代，物理所在改革开放的形势下积极探索和认真思考长远发展的战略目标，确立研究所的办所方针和任务。1984 年率先改革，撤销研究室，重新组建研究组，实行研究组长负责制。1987 年，物理所提出将主要科技力量和优秀人才组织到基础研究和应用基础研究及国家重大科技项目上来，有选择地积极推动若干领域在基础、应用和开发三类研究之间的有机联系，发挥多学科综合性优势，以形成十几个或更多处于物理前沿的研究课题及部分与高技术密切联系的“拳头”产品，参与国际竞争。同时通过“开放与联合并用”的方针，逐步将物理所办成具有国际科研水平、全国非核物理学的重要研究中心。1987—1997 年，物理所相继成立了表面物理、超导、磁学等一批国家重点实验室和院级开放实验室，汇同所内已有的学科领域，建立中国科学院凝聚态物理中心。

北研院物理所自制的光栅分光仪

1998 年中国科学院开始实施知识创新工程试点工作，物理所成为首批知识创新工程试点单位，以更加积极的姿态和开放的视野努力实现其创新与持续发展的目标任务。本着研究方向既要体现基础性、战略性、前瞻性，又要反映出优势和特色的要求，物理所进一步凝练学科方向，完善学科布局。2000 年以来，相继获批成立了极端条件物理、纳米物理与器件、软物质物理、凝聚态理论与材料、先进材料与结构分析及清洁能源6个新的院重点实验室。

十八大以来，国家实施创新驱动发展战略，科技计划改革，中科院推行4 类机构分类改革。物理所面向世界科技前沿、面向国家重大需求与国民经济主战场，创新科研活动组织体制和管理机制，大力推进北京凝聚态物理研究中心和中国科学院凝聚态物理卓越创新中心建设，并依托中科院战略先导专项、科技部重点研发计划、国家自然科学基金和其他部门、地方和行业科技计划项目开展研究工作。

1.北京凝聚态物理国家研究中心

北京凝聚态物理国家实验室以物理所为依托单位于2003 年11 月开始筹建，是我国第一批研究类国家实验室的建设试点单位。国家实验室积极探索体制机制创新，在优化资源配置、科研组织模式、人才队伍建设、科技评价与激励、科研条件平台建设与开放、国际合作与交流、推动协同创新等方面先行先试，在推进基础研究、应用基础研究和成果转化方面实现全链条一体化，在促进重大原创科技成果产出、推动高新技术产业发展等方面成效显著，做出了国际一流水平的科研工作，并为高新技术提供源头创新。为深入学习贯彻党的十九大精神，根据《国家科技创新基地优化整合方案》任务要求，物理所提出在北京凝聚态物理试点国家实验室及其优势学科群基础上组建北京凝聚态物理国家研究中心的申请，并于2017 年11 月获批组建北京凝聚态物理国家研究中心。

表3 物理所各实验室、中心成立概况

2.凝聚态物理卓越创新中心

2014 年中科院启动实施“率先行动”计划，加快了研究所追求卓越的步伐，物理所于2015 年1 月着手筹建凝聚态物理卓越创新中心。该中心瞄准物理学前沿研究领域，围绕中科院凝聚态物理学领域基础好、有望产出重大成果的“新奇量子现象”、“先进量子材料与结构”、“凝聚态理论与计算”、“尖端科学仪器”、“交叉与应用物理”5 个方向开展研究。通过培养与引进相结合，组建了一支结构合理、动态优化的高水平科研队伍。探索实施理论计算、材料制备、物性测量相互协作的研究模式，促进了重大成果的产出。2017 年9 月，中心以优秀的成绩通过中科院组织的试点工作验收，进入正式运行阶段。

物理所当前的学科布局

经过90 年的发展，物理所的学科布局不断优化和完善，成为了以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构，中国凝聚态物理研究的重要基地。现有超导、磁学、表面物理3 个国家重点实验室；光物理、先进材料与结构分析、极端条件物理、纳米物理与器件、软物质物理、清洁能源、凝聚态理论与材料计算7个院重点实验室；清洁能源、先进材料与结构分析、纳米物理与器件3 个北京市重点实验室；固态量子信息与计算和微加工2 个所级实验室；国际量子结构中心、量子模拟科学中心、量子计算研究中心、北京散裂中子源靶站谱仪工程中心、清洁能源中心、超导技术应用中心、功能晶体研究与应用中心7个研究中心。

2 科研条件平台建设

物理所围绕学科布局和建设目标，始终致力于尖端实验技术的研发，并积极建设公共技术平台和大科学装置，初步建成了国内一流、国际先进水平的特色科研条件平台，为物理学基础和前沿问题研究、产业技术提升以及解决国家重大需求提供了强有力的技术支撑。

1.构建公共实验平台

在科研条件方面，物理所以建设高精尖微纳加工、表征测试等综合技术支撑平台为目标，整合优化现有技术资源，购置与研制并举，构建“所+室”两级公共技术平台，逐步建成能够满足科技创新发展要求的公共技术支撑体系。目前，已经建立了微纳加工与测试平台、电镜与结构分析平台、低温条件保障平台、计算平台、互联互通惰性气氛综合分析测试平台5 个所级平台和10个实验室级测试分析表征平台，形成了相对完备的公共技术支撑体系，为所内外科学研究提供了专业的技术支持。

此外，依托所级公共技术平台，物理所联合理化所、化学所、高能所、过程所、工程热、纳米中心等院内6 家单位，牵头建设北京物质科学与纳米技术大型仪器区域中心，促进通用仪器设备开放共享，确保满足物质科学前沿探索和纳米技术研发需要，打造世界一流水平的科研装备和技术平台。

2.尖端仪器设备研发

凝聚态物理是一门实验性非常强的学科。现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展，国际上许多有影响的工作都离不开特色实验设备。物理所长期致力于尖端实验技术的开发，早在1956年就研制出了中国第一台氢液化器，首次获得液氢，为后来的“两弹一星”奠定了技术基础。近年来，物理所自主研制成功了深紫外系列光电子能谱仪、综合极端条件实验系统、新型光学—扫描隧道显微镜、先进飞秒激光设备、纳米图形化和超宽频磁电特性测量系统、飞秒时间分辨二维电子光谱仪、能量/动量二维解析的高分辨电子能量损失谱仪、时间分辨透射电子显微镜、高通量连续组分外延薄膜制备及原位局域电子态表征系统等一大批特色鲜明、国内首创、国际领先的科研装备。如国际首台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，在高温超导体机理探索中获得了重要发现。

表面室角分辨光电子能谱STM-MBE系统

由我国研究人员自行设计的超高真空四探针扫描隧道显微镜(UHV-Nanoprobe-LTSTM)系统。该系统于2002 年9 月开始装配、调试、投入试运行，可用于原位研究纳米体系的表面结构、电子态结构与电子输运性质

3.大科学装置与创新平台建设

物理所积极组织并参与国际一流的大科学装置建设工作，成功完成超高分辨宽能段光电子实验系统(上海光源“梦之线”)、“翠竹”热中子三轴谱仪的建设。建成的上海光源“梦之线”具有多项国际领先的设备指标和独特的设计，是目前世界上性能最好的光电子实验系统之一。物理所与高能所共建中国散裂中子源(东莞)，目前全部工程建设已经完成，并通过中国科学院组织的工艺鉴定和验收，这是中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源，填补了国内脉冲中子应用领域的空白。

目前，物理所正在推进实施综合极端条件实验装置、材料基因组研究平台和清洁能源材料测试诊断与研发平台建设。材料基因组平台是构建集材料计算、大数据处理、高通量材料合成与表征、高通量技术研发等功能于一体的材料探索、基础和应用研究的先进平台。清洁能源平台是建设国内首个国际领先的从原子级到宏观尺寸、从材料到系统的清洁能源材料与器件综合测试分析的国家级清洁能源材料测试诊断与研发平台。物理所作为法人单位的这两个项目，经北京市“一会三函”模式的快速推进，于2017 年5 月底顺利实现开工，成为首批入驻北京怀柔科学城核心区的交叉研究平台。同年9 月，由物理所主导的综合极端条件实验装置项目在北京市怀柔科学城正式启动建设，这是怀柔科学城第一个开工的国家重大科技基础设施。该工程拟通过5 年左右时间，建成国际上首个集极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件于一体的用户装置，将极大提升中国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究的综合实力。

3 科技成果

物理所立足国际科学前沿，强调自主创新，早在1987 年已成为国际上最早发现液氮温区高温超导材料的单位之一，2008 年在多个铁基超导体系的发现方面引领国际潮流，近50%的铁基超导材料是中国人发现的，其中大部分是在物理所，至今我们仍保持铁基超导体的超导转变温度记录。2013 年，物理所超导研究团队因“40 K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获国家自然科学一等奖。近年来，相继在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、拓扑半金属、外尔费米子、三重简并费米子等方面取得一系列国际一流的重大原创性研究成果，得到了党和国家领导人的高度评价。在关键材料和技术应用方面突破壁垒，1983 年物理所与电子所合作研制成功钕铁硼永磁材料，这一成果于1988 年荣获国家科技进步一等奖。1985 年组建的北京三环新材料高技术公司发展至今已经成为全球最大的钕铁硼永磁体制造商之一。20 世纪90 年代，物理所在锂离子电池的生产技术上获得重大突破，2003 年联想集团投资入股成立的苏州星恒电源有限公司目前已成为国际三大电动自行车锂离子电池供应商之一。此外，物理所还在碳化硅、LED 发光二极管、高温超导滤波器等方面解决了若干重要科学问题，服务于国民经济发展，为国家安全和可持续发展提供技术源头保障。

表4 国家自然科学奖一、二等奖名录

物理所科研成果受到了学术界的高度认可，1978 年至今，共获国际、国内奖300 余项，其中国家最高科学技术奖1 项，国家自然科学奖30项，国家科技进步奖24 项，国家发明奖8 项，第三世界科学院物理奖6项。特别是在2008年铁基超导体被发现以来，物理所凭借在高温超导方面的深厚积累，取得了一系列重大突破，引领世界铁基高温超导研究热潮，最终斩获此前连续空缺3年的国家自然科学一等奖。赵忠贤院士作为中国高温超导研究的奠基人之一，荣获2016 年度国家最高科学技术奖。以下几项工作为代表性重大原创突破。

1.铁基高温超导研究

物理所在高温超导研究领域涵盖新超导材料探索、高温超导机理和相关物理研究，是国内最重要的超导研究基地。曾因“独立发现液氮温区氧化物超导体”荣获1989 年度国家自然科学集体一等奖。二十余年后，物理所在高温超导领域再创辉煌，“40 K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”荣获2013年度国家自然科学一等奖。

铁基高温超导工作及国家最高科技奖颁奖现场

物理所深耕高温超导领域，经过长期积累，做出了大量原创性工作，包括独立突破麦克米兰极限，确认铁基超导体为新一类高温超导体；合成系列铁基高温超导材料并确认为第二个高温超导家族，创造并保持铁基超导体临界温度最高纪录；基于若干基本物性的研究确认了铁基超导体的非常规性等。上述成果激发了世界范围内新一轮高温超导研究热潮。Science杂志刊发了“新超导体将中国物理学家推到最前沿”专题评述，文中评价道：“中国如洪流般涌现的研究结果标志着，在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国”。

2.拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应

2009 年兴起的拓扑绝缘体是一种新奇的量子物态，有望从根本上解决现有电子技术的难题。物理所在该方向上取得了重大突破并直接掀起了目前国际上对拓扑绝缘体的研究热潮。物理所研究人员首次通过理论计算预言了可在室温下存在的三维强拓扑绝缘体材料Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3，被Nature 杂志撰文评价——对拓扑绝缘体探索的“顶峰”。2013 年，物理所团队和清华大学物理系团队合作攻关，首次成功观测到了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破，此物理效应从理论研究到实验观测的全过程，均由中国科学家独立完成。在该研究中，物理所团队实现了从材料体系的理论预言、困难苛刻的样品制备以及世界领先的观测条件。Science 杂志以“完整的量子霍尔三重奏”为题进行了报道。尔后，物理所理论预言并与实验合作发现了拓扑Dirac 半金属，并发现了强关联拓扑绝缘体SmB6。拓扑绝缘体研究的开拓者之一、著名物理学家C. L. Kane 教授在Nature 杂志撰文评价道：“这些材料的发现是重大进展，打开了探求它们性质的大门。”

量子反常霍尔效应

3.理论预言并实验验证Weyl费米子

1929年德国科学家外尔(Weyl)提出——存在一种无“质量”的可以分为左旋和右旋两种不同“手性”的电子，这种电子被称为“外尔费米子”。但是80 多年来，科学家们一直没有能够找到合适的材料，可以在实验中观测到外尔费米子的存在。

通过对拓扑半金属材料进一步的深入研究，物理所方忠团队预言了在TaAs 等材料体系中可实现两种“手性”电子的分离，并且这一系列材料更利于实验测量验证。随后国内外多个研究组开始了竞赛般的实验验证工作。2015 年初，物理所陈根富、丁洪实验团队在TaAs 晶体中成功发现了这类特殊的电子，外尔费米子终于揭开面纱，展现在了科学家面前。此外普林斯顿大学的研究团队也做了相似的工作，MIT的研究团队则在光子晶体中观测到了外尔费米子的行为。具有“手性”外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，同时外尔费米子具有拓扑稳定性，可以用来实现高容错的拓扑量子计算。

TaAs晶体结构和Weyl费米子在动量空间的分布

物理所的这一系列工作被英国物理学会主办的《物理世界》评为“2015 年十大突破”，被美国物理学会主办的《物理》评为“2015 年八大亮点工作”，跻身2015 年中国科学十大进展，并于2018 年1 月入选“物理评论”系列期刊125 周年纪念论文集。

4.首次观测到三重简并费米子

继“拓扑绝缘体”、“量子反常霍尔效应”、“外尔费米子”之后，物理所的科研团队在拓扑物态研究领域又取得了重大突破，首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果2017 年6 月19 日在线发表于Nature 期刊上。该项研究从理论预言、样品制备到实验观测的全过程，都由中国科学家独立完成。

基本粒子的研究，一直是现代物理学的重点之一。虽然传统理论认为费米子只有3 种类型，但科学家们猜测，当电子被“封闭”于固体材料中时，因不再具有时空连续性，很可能会显现出不同的性质，就有可能发现新型费米子。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域具有挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。

固体材料中实验发现的3 种费米子：四重简并的狄拉克费米子(左)、两重简并的外尔费米子(中)、三重简并的新型费米子(右)

2016 年4 月，翁红明、方辰、戴希、方忠预言在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态，其准粒子就是三重简并费米子，是不同于四重简并的狄拉克费米子和两重简并的外尔费米子的新型费米子。此后，物理所石友国、丁洪、钱天等研究人员迅速制备出实验样品，并在上海光源等进行实验测量，发现结果与理论计算高度吻合，首次实验发现了这种新型费米子。翁红明等人的理论工作还指出，三重简并费米子态与狄拉克费米子和外尔费米子态不同，它对外加磁场的方向敏感，使得含有它的母体材料具有磁场方向依赖的输运性质。物理所陈根富研究组、德国马普研究所的科学家都在实验中观测到了极有可能与该性质相关的现象。“固体宇宙”中新型粒子的研究刚刚开始，这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态，发现新奇物理现象，开发新型电子器件，以及深入理解基本粒子性质都具有重要的科学意义。

4 结束语

回顾与总结过去， 是为了更好的展望未来。在新的历史时期，物理所将围绕既定的长远定位和目标，不断优化布局，协调发展。在凝聚态物质科学若干前沿问题、物质科学尖端实验技术、若干清洁能源技术示范等重点领域，集中优势力量持续攻关。我们还将努力保持在高温超导、拓扑物态等领域的领先地位，瞄准可能发生颠覆性科学技术突破的方向，推动重大原始创新，以期更多的科研成果造福于民，回馈社会！

物理所科技处 供稿

『所庆专刊』系列文章：

不老的岁月 永远的芳华 | 贺中国科学院物理研究所90周年

建立国际一流的科研管理体系 | 物理所九十周年所庆专刊

本文选自《物理》2018年第5期

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