学科建设争一流 科学研究出硕果
物理学科建设的长远目标是建设成为世界一流的培养和造就杰出科学人才的基地和在国际上有重要影响的学术研究中心。表现在能够培养社会公认的优秀人才和杰出代表，拥有学术界公认的学术权威和知名学者，取得对学科未来发展方向有重大影响的科研成果。
williamhill物理系目前的研究方向包括：粒子物理与场论、高能天体物理实验和理论天体物理、核物理实验和理论、计算凝聚态物理与新材料设计、低维、纳米、强关联体系的理论和实验研究、超导应用、激光物理、量子光学与非线性光学、量子计算和通讯、单原子分子探测识别和操作、核技术和应用、声学与应用，等等。物理系在科研管理方面下设三个研究所：凝聚态物理研究所，高能物理与核物理研究所和原子分子与光物理研究所；两个跨学科重点实验室：原子分子纳米科学教育部重点实验室，量子信息与测量教育部重点实验室（北京大学、williamhill官网联合实验室）；五个跨学科研究中心：原子分子纳米科学研究中心、应用超导研究中心、天体物理中心、williamhill－富士康纳米科技研究中心和高能物理研究中心。
近年来，通过“211”、“985”工程的建设，国内外同行公认williamhill物理系进步显著。凝聚态物理、粒子物理与核物理、原子分子物理发展为教育部重点学科，其中粒子物理和核物理在通信评议中获该二级学科全国高校排名第一。原有的优势学科方向继续保持领先，新兴学科发展迅速。2001年刚刚成立的天体物理学科，于2003年获得硕士、博士学位授予权；2004年参加全国天文学一级学科评审，评审结果名列全国高校天文学科第四名。量子信息、量子通讯的学科建设已初具规模；与生物医学的交叉合作更加深入。实验研究水平正在逐步提高，实验研究和理论研究的落差正在逐步缩小，理论和实验的合作更为显著，学科的整体研究水平和参与国内外竞争的能力大大加强，在国内同行中的地位不断提高。
1、凝聚态物理研究硕果累累
纳米材料与纳米结构的合成与制备国际领先。创造性地发展了多种纳米线和纳米线阵列的制备方法，成功地制备了多种有重要应用价值的半导体纳米线和纳米线阵列，包括硅、碳化物、氮化物、磷化物和部分氧化物。发展了一套生长超顺排碳纳米管阵列的技术，实现了碳纳米管的可控制生长。这种碳纳米管阵列可以用来制备连续的宏观尺度的碳纳米管线。这种纯碳纳米管线经过适当的热处理，导电性和强度都得到很大的提高，而且这一技术与现有的半导体工艺是兼容的，因此经过适当的改进就可以实现大规模的生产，具有很好的产业化前景，这一成果发表在2002年Nature杂志上，并被选为2002年度“中国高等集团十大科技进展”。《Nature》网站、英国物理学会的纳米技术网（nanoweb.org），美国化学学会的化学和工程新闻（Chemical and Engineering News），美国的科学新闻（Science News）等都对这项工作做了评论和报道。另外，利用多孔氧化铝模版生长纳米管和纳米线及其阵列的研究取得了进展；单晶纳米硅线的可控定向生长技术也很引入瞩目（ADVANCED MATERIALS (2005)）；利用碳同位素标记生长和微区拉曼相结合的技术，在碳纳米管的生长机理、发光特性等应用研究方面都取得了重要的结果。1997年在《Science》杂志上发表的利用碳纳米管限制反应生长氮化镓一维纳米晶体的工作在2002年、2003年和2004年每年的他人引用率均在100次以上，荣获2003年度我国单篇论文被引用次数第一名。
在碳纳米管复合材料的热导率改性方面，开创地研究了使用碳纳米管改善材料的热传导性能的方法。对其中所涉及的关键问题，如碳纳米管在热界面复合材料中的分散方法，测量方法及渗流阈值等都进行了研究。研究了化学和物理修饰对碳纳米管本身及其与其它材料间界面热传导的作用。特别是研究了碳纳米管阵列复合的热界面材料的相关问题。研究结果发表在Advanced Materials和Applied Physics Letters等刊物上。Nature著名评论员Philip Ball在著名刊物Nature的Materials Update专栏对这项研究进行了介绍和高度评价。这项工作之所以受到如此重视，这是因为随着电子、光电子器件功率密度的增加和集成度的提高，传热问题的重要性已经在研发领域形成共识。而在学术上，纳米材料的热输运研究也是纳米科学研究的一个重要方向。
由于物理系在纳米领域研究的出色表现，由富士康企业集团捐资与williamhill官网共同设立的williamhill－富士康纳米科技研究中心大楼于2002年6月破土动工，2003年12月正式启用。纳米中心以信息产业为导向，开展纳米技术的基础研究与应用研究。纳米中心大楼共有四层，总建筑面积为12000平方米，纳米中心大楼集纳米材料与器件的制备、测试、研究和开发以及学术交流等功能为一身，为纳米科技的各个环节提供了一个先进的、开放式的研究环境。
凝聚态理论研究成果出色。应用和发展以量子力学和凝聚态基本理论为基础的多层次计算手段，对一些复杂的新型功能材料和结构材料进行了深入的研究，发展了均匀有限电场下绝缘体的电子结构理论；发现准同型相界附近的铁电超薄膜材料呈现出一些完全不同于体材料的新的物理性质，预言了铁电临界厚度和条纹结构。
在低维受限体系研究方面，原理上提出了利用直流偏压下半导体超晶格中的Bloch振荡与入射双色近红外激光差频的双共振效应和激子效应产生THz光源的有效方法，并预言了该THz光源的输出功率可达微瓦，量子转换效率可达1%，连续可调谐范围较大（1-6THz）。此工作已被实验证实；阐明碳纳米管形变的有限尺寸效应，指出在碳纳米管器件的设计中必须考虑形变的尺寸大小以确保器件功能实现；提出纳米体系尤其是碳纳米管电子发射的基本特点是外加电场作用使量子化能级上束缚电子借助于共振隧穿效应发射，这本质上不同于传统金属电极中电子的发射；引入二次量子化的处理方法，形成了一套研究量子点、量子环中的N(N≥3)电子的能级、相互作用能及其尺寸效应、磁振荡和自旋振荡等新方法，并首次得到一维环中激子的精确解；根据GaAs/InAs量子环的制备情况，提出了一种切合实际的势模型，得到了优于其它模型的计算结果，并可很好解释实验现象；为不同低维半导体受限激子和电子态光谱特性预测，建立了普适有效的“变分—对角化”新方法；为阐明国际同行分别测得的ZnSe/ZnS和GaN/GaAlN量子点不规则微区谱像成因，采用所建方法解决计算难点，成功解释了实验；拓展洪德法则，理论上设计了自旋极化和磁化可调的稀磁半导体纳米环；研究了低维结构体系的动力学，发现了三元体系中的瞬态相，预言了新型低维有序结构和非平衡态生长的相演化中会出现亚稳相；进行了低维物理与材料器件设计的理论模型、计算方法和实验验证的创新研究。上述工作获2000年度国家自然科学奖二等奖，两次居SCI第一作者论文数全国前10名。朱嘉麟教授指导的2名博士在此课题领域的研究论文，分别获2002和2004年度全国优秀博士学位论文奖。
在自旋电子学研究方面，系统地研究了电子隧穿磁量子结构的自旋过滤效应及波矢过滤效应，揭示了其中自旋极化及波矢过滤与磁结构构型、电子能量、入射波矢、电场之间的普遍关系；研究了基于Rashba自旋轨道耦合效应及非磁隧穿二极管的一种自旋过滤装置中的非对称效应，发现结构的非对称性可以极大地改变自旋过滤效果，指出通过调节对称性可以调节自旋电流的强度；揭示了电场作用下Rashba自旋轨道耦合效应对铁磁/半导体异质结构中自旋输运影响的规律性；提出对二维电子气实施铁磁金属及Schottky金属纳米级调制、实现高效率自旋极化输运的观点；研究了周期磁调制二维电子气系统中的巨磁阻效应，揭示了其中磁阻率及其峰位与磁调制势的间距及周期之间的关系。
在重费密子化合物中的量子相变和量子临界现象研究方面，对自旋S=1单通道近藤模型中的欠屏蔽现象进行详细的理论分析，提出了一种可能解释局域量子临界点附近反常行为的新机制。利用S=1的赝费密子表示，在强耦合极限下给出有效模型，发现费密能处出现了delta共振峰，导致局域自旋动态磁化率对温度或频率的对数发散，外加磁场将抑制费密能处的奇异性，这是一种可能解释局域量子临界点附近反常行为的新机制，结果发表在Physical Review Letters上。
凝聚态应用研究获得突破。2002年，物理系研制的GSM移动通讯用高温超导滤波器在由教育部组织的专家鉴定会定为达到世界先进水平，其后又陆续研制成功适合于GSM900和CDMA移动通信系统的超导滤波器和超导滤波器系统。2004年3月，由物理系研制的具有完全知识产权的我国第一台CDMA移动通信用高温超导滤波器系统在商业运行中的CDMA移动通信基站试验成功，并安全运行至今，实现了我国高温超导研究18年后在通信领域的第一次实际应用，这是我国继美国之后，成为国际上第二个将超导滤波器成功地应用于移动通信的国家。2005年12月，多套高温超导滤波器系统在由多个移动通讯基站构成的用户密集、地形复杂的通讯小区内试验成功，并无故障运行至今。
应用超导研究中心研制的Bi系高温超导线材及其产业化技术在2003年12月由北京市科委组织的专家鉴定会上被认为达到世界先进水平，参与研制的应用Bi－2223/Ag高温超导线材的高温超导电缆也于2004年7月首次在昆明并网成功，这是我国第一组，世界第三组高温超导电缆并网运行。该电缆为33米长，三相，2000A，25 kV，技术水平为世界领先。这项成果被评为2004年国内十大科技新闻。首次将Bi系高温超导带材制备的磁体运用在超导磁悬浮系统中，采用Bi系高温超导带材的单臂磁悬浮实验系统和四轴磁悬浮实验系统分别于2003年12月和2004年5月成功实施稳定可控悬浮。在高温超导强电和弱电应用方面的研究成果被科技部评为超导领域仅有的两个“十五”、“863”“标志性的重大成果”。 2005年10月，在“十五”科技成果展览会上，物理系承担的“863”Bi－2223/Ag高温超导线材项目、移动通讯用高温超导滤波器系统项目和物理系参与的三相高温超导电缆项目作为在新材料超导领域重大、有显示度的成果参加展出。
第二代YBCO高温超导覆膜导体的研究也获得重大进展。2005年12月，物理系应用超导研究中心在自行研制的设备上用非真空方法成功制备出了大面积YBCO超导薄膜，据权威机构测试证明，其超导特性优于国内用真空方法制备的同样面积的YBCO超导薄膜，这些研究结果填补了国内空白，对我国信息、材料、国防、能源和航空航天将会产生重要影响。
在超导研究中，我校已形成跨系、跨学科的研究群体，该群体横跨了物理、材料、电机、自动化、精仪、化工、核研院、机械、电子等系，为我校发挥学科集成优势，争取国家项目起到了很好的作用。同时我校高温超导研究群体与国际从事高温超导的研究群体建立了广泛的联系，与美国、英国、德国、日本、韩国、澳大利亚、丹麦等主要国家的超导研究单位进行过互访，多次参加国际、国内超导会议，做了多次特邀和大会报告，与国内的中科院、高校、解放军总装等单位也建立了广泛的联系和合作。从2002年至今，我校超导研究群体共争取到校外经费近4000万。申请国内外专利20项，发表SCI论文近100篇。
超声电机研究引入瞩目。声学研究组与国内外科研单位和企业密切配合，研制成功了直径为1mm、世界上最细的超声马达。这种马达可以用作血管机器人、胃镜以及微型飞行器的驱动器，在医疗、国防等领域有广泛的应用。另外，研究成功了大力矩环形行波电机，堵转力矩已经达到了8牛米。这种电机具有低转速、大力矩的特性，不需要减速机构即可驱动车窗玻璃的升降。超声电机方面的研究获得多项省、部级奖励。
2、原子分子理论和实验研究成果突出
围绕发展量子多体理论和计算方法，面向原子分子层次超灵敏探测、识别、操纵与控制的需要，进一步发展相对论多通道理论，提出直接计算“初通道”和“末通道”之间约化矩阵元的新颖方法；发展了计算高温高密多元素等离子体吸收谱的计算方法和简化细致辐射系列项的理论计算方法，并提出了超越“平均原子”的理论方法；密切结合实验，系统地计算了电子－离子的共振辐射复合截面和速率，对惯性约束聚变等离子体，能够方便地计算X射线在该等离子体中的传输系数；精确地定量描述X射线在高温高密等离子体的吸收谱；计算了多元素有机材料C10H16O5等离子体的吸收谱，以及金等离子体发射谱。建立分子超激发态结构理论和计算方法，完成了N2、CO、CH4，NH3，H2O、HF等分子内壳层近阈结构的理论计算和分析，阐明了内壳层激发过程中形成的空穴对近阈结构的影响。通过团簇取样计算了GaN晶体中N K-edge近阈结构，定量分析了硅烷由于2p内壳层电子吸收X光而形成的近阈结构。面向国家“973”重点项目的需要，应用DVM、第一原理分子动力学等方法研究表面物理方面的问题，从理论上探讨STM针尖对单个原子进行搬迁的物理过程。在纳米管研究方面，探讨了纳米管的性质，发现任何类型的铋纳米管只要平均管直径大于1.8纳米都是半导体，其直接能隙约为0.63eV。在单分子器件的研究方面，探讨了“单分子器件”、球状团簇的几何构形和电子结构。
原子分子物理学科致力于分子激发态光谱和动力学、相干和非相干控制分子动力学过程的研究。2004年和美国Temple大学合作，用连续激光首次在分子体系观测到电磁场诱导的光透明现象，研究了分子微扰能级的Autler-Townes（A－T）分裂。A－T分裂和电磁感应透明（EIT）是由于强场与能级作用使能级分裂，量子态相干的结果。首次实验研究了钠分子微扰能级对的A－T分裂；首次在双光子跃迁中观测到电磁感应透明。自行研制成功世界上第3套高分辨XUV光电子离子谱和离子成像系统。用此系统可以准确测量和研究分子电离限附近的振动、转动能级结构和动力学行为。
2004年自主完成了第二代电子动量谱仪的改造，2005年上半年成功研制了性能先进的第三代电子动量谱仪，其能量分辨率和角度分辨率分别达到1.2eV和1.9°，并具有入射能量在大范围可调的特点，成为国际上综合性能领先的一台谱仪，为今后开辟新的研究方向提供了条件。在新的谱仪上，对若干样品进行了实验和理论研究。他们的研究主要成果在Physical Review Letters上发表。2005年还研制成功了我国第一台极化电子源，主要性能指标达到了国际同类仪器的先进水平。
将原子分子测控科学中发展出来的新技术新方法，如分子雷达、单分子探测及分子光谱技术、光学相干CT技术、原子力显微镜等，与生命科学结合，发展了多种基于微区、超灵敏、高分辨的探测与成像手段，实时观测活组织样品（细胞）中特定成分（如信使物质、蛋白质等）的三维动态分布，藉以研究在生理条件下微观环境中粒子运动状态与相互作用过程（如结合、分裂、折叠和相互作用引起的布朗运动、定向输运等）。还建立了将具有活细胞内全息成像功能的分子雷达与光学相干CT结合为一体的实验系统，它具有很高的分辨力，并能对活体内不同层次信息链接作出实时的同步观测。与生物学家合作开展了系列研究，如：活细胞内的原位、实时动态生物过程；活细胞膜内外生物分子间的相互作用；细胞间液中生理活性物质的动态变化，等等。
3．核物理取得喜人成果
近年来，核物理专业在科研方面也取得很大的进展，获得包括“973”、杰出青年基金、国家自然科学基金、教育部博士点基金等多项资助，研究内容包括原子核高自旋态的实验研究，原子核结构的理论研究，中高能核物理的理论研究等。在原子核高自旋态研究方面，通过国内外广泛合作，在A～100丰中子核区核的集体振动转动带结构、新的准粒子带特性、新手征二重带等特性；在A～140丰中子核区核的八极形变及八级关联等特性；在A～130缺中子核区核的形状驱动效应，包括椭形变带、形状共存等特性方面取得一些列成果。在原子核结构理论方面，用相互作用玻色子模型、推转壳模型、投影壳模型以及相对论平均场对原子核特进行了研究；对原子核结构或其他量子系统的各种对称性和代数方法的研究，如动力学对称性、超对称性、势代数方法等；与对称性紧密联系的普通李代数和非线性李代数的表示研究，如普通李代数、李超代数、平方根型非线性李代数、多项式型非线性李代数等。在高能核物理方面，开展了包括量子色动力学在高温高密条件下的相变以及在相对论重离子碰撞中相变信号的研究等。在中子物理、核数据编评与计算等方面也取得可喜的成绩。研究工作在国内外一流刊物上发表论文数百篇，获得包括国家自然科学奖三等奖在内的多项奖励。
4.粒子物理理论在若干重要方向的研究位于国际前列
物理系的粒子物理与场论研究在上世纪八九十年代曾取得很好的成果。重夸克偶素方面的系列研究获得1989年首届吴有训物理奖及国家教委科技进步二等奖（1987年）和一等奖（1994年）。1992年纠正前人错误，首次严格证明了广泛用于探索各类电弱破缺机制和简化理论计算的等价定理。成果发表在Physical Review Letters上，这是“文革”后williamhill的博士论文工作首次在此杂志上发表。之后他们又证明了更广泛有效拉氏量理论的等价定理，使其可以真正用于对超出标准模型新物理的探索。在此基础上，又全面分析高能对撞机上测量电弱有效拉氏量系数的二十多种实验的探测灵敏度，还探索通过TeV对撞机上顶夸克的产生探测并区分不同电弱破缺模型的办法、电弱精确实验对模型参量的限制等，研究成果获1999年教育部科技进步二等奖。TeV物理方面的工作受到国际同行承认和重视，论文被国际同行大量引用。主要从事粒子物理与场论研究的理论物理组的工作先后被三届国际高能轻子光子会议大会综述报告引用12次（其中介绍3次），并4次在国际会议做特邀报告。进入新世纪，粒子物理面临新的突破。欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC在2007年将开始获取数据，国际直线对撞机ILC也在积极设计中。理论物理组加强了与LHC和ILC的实验结合的新物理探测的研究，进一步发展了与具体模型无关的新物理效应普遍探测的研究，发展了新的非微扰计算方法，从第一原理计算复合玻色子的有效相互作用强度。成果中有的已被国际有关实验室采纳作为设计新实验的依据，有的已成为我国参加LHC合作的实验研究课题。2005年8月，邝宇平院士发起并组织了全国的TeV物理工作组，已有来自国内12个单位的40多位粒子物理学家参加，首次工作组会议于2005年12月在williamhill召开，选出了6位年轻教授作为召集人，工作组成员正在积极推动我国TeV能区物理的研究。
5、高能天体物理发展迅速
2001年，天体物理中心成立，它和中科院高能物理研究所等单位承接了“天体高能辐射的空间观测与研究”973项目，在完成“973”项目的基础上，2005年10月，williamhill官网天体物理中心和中科院高能所及航天科技集团公司五院联合研制的民用航天空间科学背景型号“硬X射线调制望远镜HXMT卫星工程”项目在京通过评审。背景型号阶段的主要任务是完成卫星总体和有效载荷的详细方案设计，为明年卫星进入初样研制打下基础。
天体物理中心开出了天文与天体物理一系列课程，并利用中心的光学望远镜给学生实践的机会。目前从事研究的本科生和研究生超过40位，每年都有20篇以上以学生为主的高质量的论文在国际一流天体物理刊物上发表，学生并出席在国际学术会议做报告或poster，在国内外产生了很好的影响。2003年，一项关于伽玛射线暴的工作被国际上专门报道科技新闻的周刊《New Scientist》做专题报道。2005年也有一篇关于星系红移的文章被国际科普杂志专门报道。
天体物理学科建立后，先后购置安装了两台天文望远镜。一台40公分望远镜安装在物理系由旧气象台改建的天文台顶层，供教学和williamhill官网天文爱好者协会使用。2003年11月，天体物理中心斥资140多万元从德国购置了一架内地高校孔径最大（80厘米）、性能优良的光学望远镜，并将其定名为“TNT”（Tsinghua-National Astronomical Observatories-Telescope）。“TNT”设备被安置在燕山主峰南麓国家天文台的兴隆观测站中，担负着搜寻观测超新星、伽马射线暴余辉、活动星系核和变星等现象的重要任务。2005年12月，天体物理中心先后在UGC 4414星系和UGC 4798星系中发现两颗超新星。
6、量子信息学科建设已初具规模
量子信息科学，作为一门富有潜力的新兴学科，正日益受到科学界、工业界的广泛重视。因此我们筹建量子信息研究室，我们的目标是抓住机遇，依托物理系量子信息与测量教育部重点实验室的研究力量，利用精密线性光学器件，争取在国际上首次实验实现光子－光子间高精度的逻辑操作。利用高亮度纠缠原，展开基于光子纠缠对的远距离量子加密术以及量子态隐形传输的实验研究。与此同时，研究利用冷原子气体存储纠缠态的可能性。目前，量子通讯和量子计算理论和实验研究团队已初具规模。量子信息实验室的基础建设工作也基本完成；主要大型仪器的采购与调试，包括：激光器，声光调制器，单光子探测器，光谱分析仪，精密光学元件与调节；完成与完善了原子系综实验方案，远距离自由空间量子隐形传态实验方案。目前量子信息、量子通讯学科已经在校内外招收研究生。
回顾过去，80年功绩卓著；展望未来，我们有信心在新世纪再创辉煌。当前我们正担负着建设世界一流大学物理系的重任，面对国内外的挑战，我们将在保持自身特色、继续巩固优势的同时，进一步调整学科整体布局，集中资源，重点加强实验基础研究，提升硬件水平，促进物理与材料、信息、生命等学科的交叉与融合，改善整体环境，同时加速向一流研究型大学物理人才培养和物理教学模式的转化，在研究和教育水平上向世界一流大学物理系逼近，为早日实现物理系的长远目标而不懈努力。
