基金委 | 凝聚态物理学科发展态势与发展思路

来源：中国科学杂志社

作者：作者中国科学物理辑

■姜向伟, 倪培根, 董国轩, 谢心澄

基于国家自然科学基金资助情况(2011–2021)和物理学发展规划的分析与探讨

国家自然科学基金委员会(以下简称基金委)数学物理科学部自2020年开始着手制订了物理学科“十四五”及中长期发展规划，凝聚态物理是该战略规划研究中的重要内容，因其内涵丰富、发展迅速，基础性、应用性和交叉性极强，在学科规划和资助布局中需结合学术界研究现状、科学基金历史数据和中外对比，综合分析和研判。我们通过回顾2011–2021年我国国家自然科学基金资助布局，与美国科学基金数据进行对比，并结合物理学科发展规划，分析凝聚态物理学科的发展态势，凝练学科发展方向并提出政策建议。

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学科内涵与战略意义

凝聚态物理研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚体(例如固体、液体、软物质、稠密气体、等离子体以及超流体等特殊量子态)的微观结构、粒子间相互作用和运动规律。研究对象包括晶体、非晶体、准晶体等固体物质，还包括液体和软凝聚态物质，以及活体细胞、生物大分子等生命物质。通过对这些凝聚态物质的电、磁、声、光、热等物理性质及现象的研究，掌握其中各种单粒子和集体激发的微观与宏观运动规律，发现新的物理现象和规律，丰富物理学的内涵，使我们对微观物质世界有更深刻的了解。凝聚态物理是材料科学、信息科学和能源科学的基础，同时与化学科学和生命科学等学科有密切的交叉与融合，是国家能源与信息发展战略的科学基础，也是当前蓬勃发展的量子科学与技术的主要发源领域，具有重要的战略意义。按照基金委2021年启用的最新学科代码体系凝聚态物理学科下设14个领域(如图1所示)。

图1 凝聚态物理学科的研究范畴与战略地位。

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国家自然科学基金资助布局情况分析

2.1 国家自然科学基金2011–2021年资助凝聚态物理研究概况
基金委数学物理科学部2011–2021年间，在凝聚态物理领域资助科学基金项目5547项，资助经费45.19亿元人民币。其中包括面上项目2322项、青年科学基金项目2325项、重点项目93项、优秀青年科学基金项目60项(含港澳)、国家杰出青年科学基金项目34项、创新研究群体项目8项、重大项目6项、国家重大科研仪器研制项目30项(其中部门推荐类10项，自由申请类20项)、科学中心项目2项。此外，国家自然科学基金在凝聚态物理领域还布局实施了“单量子态的探测及相互作用”“第二代量子体系的构筑与操控”两个重大研究计划。表1列出了2011–2021年凝聚态物理学科(A20及下属代码)青年科学基金、面上项目、重点项目、优秀青年科学基金和国家杰出青年科学基金的申请与资助情况。表1 凝聚态物理学科(A20及下属代码)2011–2021年申请与批准项目数按项目类型统计。(1)面上项目与青年科学基金面上项目和青年科学基金项目量大面广，具有鼓励自主创新、促进学科发展、培育后备人才的重要作用，是国家自然科学基金的根本。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科(A20及下属代码)面上项目2271项(资助经费15.8219亿元)、青年科学基金项目2298项(资助经费5.84505亿元)。基金委于2021年全面启用新的申请代码体系，同时对既往申请与资助的科学基金项目进行了代码迁移，在此过程中存在一些新旧代码项目归属的不确定性，因此本文没有按照申请代码来划分2011–2021年科学基金项目的领域，而着重于关键词和研究方向的分析，我们认为这样可以更加准确地反映基金项目的领域属性。在图2中，我们针对4569项面上项目和青年科学基金项目，遴选了43个具有代表性的关键词，进行了项目申请和资助情况的统计。图2 凝聚态物理学科2011–2021年科学基金面上项目、青年科学基金项目申请与资助按关键词频次统计。2011–2021年，自然科学基金在凝聚态物理学科的面上项目平均资助率为26.80%，青年科学基金平均资助率为29.37%，从资助率来看，以上关键词中面上项目资助率较高(超过35%，下同)且频次超过100的包括：电子能谱、强关联、拓扑、显微、半金属、霍尔效应、量子相变、自旋电子、量子输运、超导、自旋轨道耦合(按频次排序，下同)，青年科学基金项目资助率较高且频次超过100的包括：拓扑、霍尔效应、显微、自旋电子、半金属、铁磁、超导、自旋轨道耦合、声子，可见这些关键词领域的项目申请在同类研究中处于较高水平。(2)重点项目国家自然科学基金重点项目支持从事基础研究的科学技术人员针对已有较好基础的研究方向或学科生长点开展深入、系统的创新性研究，促进学科发展，推动若干重要领域或科学前沿取得突破。2011–2021年，国家自然科学基金重点项目在凝聚态物理学科布局的领域包括：固态量子计算、受限量子体系、强关联体系、量子自旋液体、超导物理、拓扑物态、功能材料与器件物理、表面界面与低维体系、半导体基础物理、软物质与生物物理、固态磁性与多场调控、计算方法和软件、基础能源物理、极端条件凝聚态物理。在以上14个领域资助重点项目94项，资助经费3.0182亿元人民币。从近三年凝聚态物理学科申请与资助重点项目按指南领域分布情况来看，凝聚态物理学科重点项目申请与资助基本保持稳定，各个领域方向也基本均衡。重点项目强调指南引导下自由选题，需综合研判学科发展现状和趋势，对已有较好基础的领域方向进行布局。鉴于学科特点，凝聚态物理重点项目布局着重面向科学前沿，同时密切结合国家需求。纵览科学基金重点项目历年项目指南和申请与资助情况，可窥见凝聚态物理学科重点项目近十年来发展布局特点如下：第一，以基础前沿主导学科发展，凝聚态物理学科的基础性和前沿性决定了其资助布局以前瞻性基础研究为主，受限量子体系、强关联系统、超导物理、拓扑物态是凝聚态物理中基础性最强的领域，对其稳定长期支持是实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破的前提；第二，以物理创新引领技术突破，凝聚态物理是应用性极强的物理学分支，是众多关键技术问题的基础，半导体基础物理是破解芯片“卡脖子”难题的钥匙，基础能源物理是克服能源短缺、实现清洁能源的利剑，固态量子计算是未来量子科学技术的核心；第三，以交叉融合拓展学科前沿，当前科研范式深刻变革，交叉融合成为科学技术发展潮流，计算凝聚态物理和生命物理学在凝聚态物理学与数学、信息科学、生命科学的进一步深度交叉中得到蓬勃发展，成为新的学科前沿。(3)优秀青年科学基金、国家杰出青年科学基金、创新研究群体优秀青年科学基金项目支持在基础研究方面已取得较好成绩的青年学者自主选择研究方向开展创新研究，促进青年科学技术人才的快速成长，培养一批有望进入世界科技前沿的优秀青年骨干；国家杰出青年科学基金项目支持在基础研究方面已取得突出成绩的青年学者自主选择研究方向开展创新研究，促进青年科学技术人才的成长，吸引海外人才，培养和造就一批进入世界科技前沿的优秀学术带头人；创新研究群体项目支持国内外优秀学术带头人自主选择研究方向、自主组建和带领研究团队开展创新性的基础研究，攻坚克难，培养和造就在国际科学前沿占有一席之地的研究团队。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科优秀青年科学基金项目60项、国家杰出青年科学基金项目34项、创新研究群体7个。图3给出2011年以来凝聚态物理学科获资助优秀青年科学基金和国家杰出青年科学基金项目(以下分别简称“优青”和“杰青”)按研究领域统计分布情况。图3 凝聚态物理学科2011–2021年优秀青年科学基金和国家杰出青年科学基金获资助项目按研究领域统计。从中可以看出近十年来凝聚态物理学科不同研究领域人才队伍成长分布情况，2011–2021年期间获优青项目和杰青项目资助均较多的研究领域包括拓扑凝聚态体系、强关联体系和低维系统，反映了这三个研究领域近十年来发展势头迅猛，并培养了一支强大的青年人才队伍。另外我们看到超导物理领域虽然近十年来培养了较多优青人才，但在杰青层次却明显缺失，这与2001–2010年期间的情况差异迥然，这从侧面反映了当前超导领域的研究状况，即作为凝聚态物理学科的一个传统研究领域，超导物理研究已经进入一个攻坚克难的瓶颈期，需要进一步组织力量突破超导本质、高温超导机理和先进超导材料等系列根本性问题，鼓励原创性的新路径探索。此外，以低温物理和半导体物理为代表的研究领域与国家需求密切相关，这两个领域的研究突破需长时间积累和攻关，研究成果的积累相对缓慢，因此在优青和杰青人才队伍体系中占比很小，我们希望在今后的布局中能够调整人才评价机制，鼓励“十年磨一剑”的基础研究，为国家储备更多破解“卡脖子”难题的青年人才。从研究范式上来看，2011–2021年获得资助的国家杰出青年科学基金项目中有13项实验研究、14项计算模拟研究和7项纯理论研究，表明计算模拟已经成为凝聚态物理研究中一种重要的研究范式，理论概念突破-电子结构计算-高质量材料制备-先进实验表征在量子反常霍尔效应的实验发现和拓扑物性研究中表现尤为突出，理论模型突破和先进计算方法是先导，先进实验技术是关键，但人才体系中真正提出新理论、攻坚计算方法和磨砺实验技术的尚不多见，还需加强引导。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科创新研究群体项目7项，包括：“低维体系中的新奇量子现象”“凝聚态物质中新奇量子现象的计算和理论研究”“聚集体的经典和量子统计物理的前沿问题研究”“复杂表面与界面体系的新物理”“新型量子材料物理和器件”“低维拓扑体系量子输运”“极端条件新物态和量子演生现象”，资助总经费7250万元人民币。(4)国家重大科研仪器研制项目国家重大科研仪器研制项目面向科学前沿和国家需求，以科学目标为导向，资助对促进科学发展、探索自然规律和开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器与核心部件的研制，以提升我国的原始创新能力。国家重大科研仪器研制项目包括部门推荐和自由申请两个亚类。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科(A20及A24下属代码)国家重大科研仪器研制项目30项，其中包括部门推荐10项、自由申请20项，资助总经费8.66亿元人民币。“部门推荐”国家重大科研仪器研制项目包括“拓扑量子计算超低温实验仪器研制”“多波段脉冲单自旋核磁共振谱仪研制”“多通道超导单光子探测器”“基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台(SiP·ME2)研制”“极端条件超高精度实空间/动量空间原位谱仪”“新一代大型超高压产生装置”“针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统”“电子自旋和自旋极化电流的时空演化成像系统”“低维量子物质非平衡物理性质原位综合实验研究平台的研制”“宽禁带半导体点缺陷的单体光电特性表征仪器系统”，其中7项已经通过结题验收。“自由申请”国家重大科研仪器研制项目涵盖量子材料制备与表征系统、先进电子显微系统、极端条件下的物性测量系统、先进光电子谱仪、不同波段的探测和显微系统、自旋极化电流和自旋流测试系统等。凝聚态物理科研仪器研制具有前沿性强、指标高、难度大等特点，研制指标纯粹，实现条件苛刻，往往代表了逼近物理极限的探测能力。国家自然科学基金在凝聚态物理学科资助的上述科研仪器研制项目，绝大多数得到顺利实施，取得了突出的研制进展和研究成果。但也有个别项目研制进展不顺利。分析其原因：(1)由于国际形势的变化，导致部分研制单元模块受阻；(2)由于研究团队配备不齐，缺乏持续稳定的攻关团队；(3)立项时对研制指标的评估不足，或由于物理学家追求物理极限的心态，提出了偏高的研制指标，造成研制困难。我们建议科研仪器研制项目要注重核心模块的自主研发，依托单位需做好保障，保证仪器研制过程中研究团队的稳定性，立项评估更加谨慎地制定科学合理的研制指标，仍然鼓励物理学家秉持“十年磨一剑”的钻研精神，研制极限性能的科研仪器。另外，近年来凝聚态物理学科的科研仪器研制项目申请有所下降，我们鼓励更多科研人员申请仪器研制项目，为国家科研硬实力的提升贡献力量。(5)重大项目重大项目面向科学前沿和国家经济、社会、科技发展及国家安全的重大需求中的重大科学问题，超前部署，开展多学科交叉研究和综合性研究，充分发挥支撑与引领作用，提升我国基础研究源头创新能力。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科(A20及A24下属代码)重大项目6项，资助总经费1.13亿元人民币。这6项重大项目包括由中国科学技术大学、中国科学院物理研究所、浙江大学和中国人民大学共同承担的“新型非常规超导材料的探索和机理研究”，由中国科学院物理研究所、北京大学、中国科学院上海应用物理研究所共同承担的“水科学若干关键基础问题研究”，由复旦大学、上海交通大学、清华大学共同承担的“准二维体系中的高温超导态和拓扑超导态的探索”，由南京大学、同济大学、武汉大学共同承担的“微结构材料中声子的调控及其在超导量子芯片中的应用”，由北京计算科学研究中心、复旦大学和中国科学院上海技术物理研究所共同承担的“微纳器件中非平衡物理过程研究”，以及由北京大学、中国科学院物理研究所、南京大学共同承担的“生命系统中的非平衡统计物理和动力学研究”。(6)科学中心项目基础科学中心项目旨在集中和整合国内优势科研资源，瞄准国际科学前沿，超前部署，充分发挥科学基金制度的优势和特色，依靠高水平学术带头人，吸引和凝聚不同领域和不同学科方向的优秀科技人才，着力推动学科深度交叉融合，相对长期稳定地支持科研人员潜心研究和探索，致力科学前沿突破，产出一批国际领先水平的原创成果，抢占国际科学发展的制高点，形成若干具有重要国际影响力的学术高地。2011–2021年，国家自然科学基金资助凝聚态物理学科(A20及A24下属代码)科学中心项目3项，资助总经费3.075亿元人民币。这3项科学中心项目包括由北京大学、中国科学院物理研究所和中国科学技术大学共同承担的“高温超导材料与机理研究”，由中国工程物理研究院研究生院和北京计算科学中心共同承担的“基础能源物理的科学问题”，由复旦大学、中国科学院物理研究所和南京大学共同承担的“面向材料功能应用的新一代计算方法与软件”。(7)重大研究计划重大研究计划围绕国家重大战略需求和重大科学前沿，加强顶层设计，凝练科学目标，凝聚优势力量，形成具有相对统一目标或方向的项目集群，促进学科交叉与融合，培养创新人才和团队，提升我国基础研究的原始创新能力，为国民经济、社会发展和国家安全提供科学支撑。重大研究计划应当遵循有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展的基本原则。2011–2021年间，国家自然科学基金以凝聚态物理学科为主布局和实施了两个重大研究计划：“单量子态的探测及相互作用”和“第二代量子体系的构筑和操控”。其中“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划于2009年启动，2010年开始实施，实施周期八年，该重大研究计划已于2017年实施结束，资助总经费2亿元人民币；“第二代量子体系的构筑和操控”重大研究计划于2020年启动，2021年开始实施，实施周期八年，拟资助总经费2亿元人民币。这两个重大研究计划主要面向凝聚态物理学科基础前沿，在量子科技领域进行了战略布局。(8)科学基金资助成果在科学基金项目资助下，我国科学家近十年来在拓扑物态、高温超导和能源物理等方面取得了一系列国际一流的研究成果。表2给出了2012–2020年度凝聚态物理学科自然科学基金结题项目发表论文与人才培养统计情况，可以看出这十年间凝聚态物理科学基金项目发表论文与培养人才数量均发生了大幅增长。表3给出了发表高端论文的详细统计情况，我国学者近年来在《自然》(Nat­ure)、《科学》(Science)等期刊发表的高水平学术论文数量呈现倍数增长。此外，中国学者对本土期刊的认同感逐年增强，在国家自然科学基金资助的凝聚态物理项目中，结题成果发表在《国家科学评论》(Na­tional Science Review)，《科学通报》(Science Bulletin)，《中国科学：物理学力学 天文学》(Science China Physics, Mechanics Astronomy)等期刊的学术论文数量增长尤为迅速。表2 凝聚态物理学科2012–2020年结题项目发表论文与人才培养情况统计表。表3 凝聚态物理学科2012–2020年结题项目发表高端论文统计表。综上所述，我国科学基金近十余年来在凝聚态物理学科研究领域进行了卓有成效的资助。面上类项目较为均衡地资助了各个领域和研究方向的自由探索，保证了学科的均衡、协调和可持续发展；重点项目针对凝聚态物理学科优势方向进行了指南引导性的资助布局，有效推动了学科研究前沿的发展；在重大项目层面，集中部署了超导物理、水科学、微纳器件物理、生物物理等重大科学前沿以及国家战略需求和多学科交叉融合研究，提升了我国凝聚态物理学科基础研究的源头创新能力；形成了高温超导物理、基础能源物理、计算凝聚物理三个基础科学中心，有望推动这三个重要基础领域取得新的突破；重大研究计划则围绕“量子科技”这一国家重大战略需求和重大科学前沿，顶层设计和布局了面向未来量子技术的前瞻性基础研究，取得了若干重大突破，有望引领未来国际量子科学与技术研究竞争；而在重大科研仪器研制方面，凝聚态物理是国家自然科学基金资助重大科研仪器研制项目最多的学科，物理领域的重大科研仪器追求接近物理极限的实验精度，代表着科学仪器的极致追求，我国科学家在关键科学仪器设备自主研制方面取得了重要进展，并产生了一系列突出的研究成果；人才资助体系趋于完备，评价机制日臻完善，“优青”“杰青”“创新群体”资助了一批凝聚态物理领域的杰出人才，为学科发展储备了一支青壮年人才队伍。但我们也发现了三方面的问题：首先，基础研究的“根”扎得不够深，纵览我国科学家近年来的研究进展，其中以对理论预言的实验验证或是对原有体系的拓展为主，尚缺乏真正意义上的“原创成果重大突破”，究其根本，就是基础研究的“根”扎得不够深，需从项目布局上充分考虑“鼓励探索，突出原创”，引导科研人员真正扎根基础、解决难题，提出新理论、发现新现象、实现新方法；其次，对面向国家需求的科学问题凝练不够，例如半导体基础物理、磁学与自旋电子学是当今半导体科学技术的基础，但在重点和重大类型项目中申请和资助较少，“后摩尔时代”技术路线尚不明确，我国在先进芯片领域受到西方制约，亟需引导凝聚态物理科研工作者关注国家需求，从基础物理和微观原理出发，凝练技术瓶颈背后的关键科学问题；最后，人才队伍的配备不够齐全，物理学是与化学、生物学等同等地位的一级学科，凝聚态物理更是物理学最大的分支，其基础性、前沿性、应用性强，战略意义重大，但2011–2021年间国家杰出青年科学基金项目获得者仅34人，这显然暴露出了人才队伍配置不合理的问题，我们呼吁国家在凝聚态物理学乃至整个物理学加大投入，支持更多优秀人才从事研究。2.2 中美自然科学基金资助情况对比分析我们基于美国国家自然科学基金会(NSF)公开数据进行分析，并与我国国家自然科学基金资助情况进行对比。从美国NSF资助项目数据库“Awards Advanced Search”进行检索，并应用VOSviewer软件对美国自然科学基金会“数学物理科学部”（MPS Direct ForMathematical Physical Science）2011–2021年资助的1757项凝聚态物理相关项目进行了关键词的聚类分析和可视化，该分析针对项目题目和摘要进行。图4给出了分析结果，可以看出，美国NSF资助项目大致可以分为三个聚类：(1)量子现象相关(红色与黄色)，包括关联电子体系、拓扑凝聚态体系、超导物理、量子计算与量子信息、磁性、低温物理等；(2)计算与模拟(绿色)，包括计算方法、模拟、材料设计、第一性原理、理论模型等；(3)新材料与器件(蓝色)，包括新(先进)材料、电子器件、低维材料、晶体管、纳米科学等。以上三个聚类反映了美国凝聚态物理研究主要以凝聚态体系的量子现象为研究前沿和主流核心，以先进的计算模拟方法为新的研究范式，以新材料和新器件为应用载体。图4 美国自然科学基金会2011–2021年资助凝聚态物理相关项目的关键词图谱(采用VOSviewer可视化)。基于这些关键词，我们对比了中国和美国自然科学基金资助金额的分布情况(如图5)。图中按照中国科学基金资助金额对关键词进行了排序，中国自然科学基金资助金额较高的关键词有：超导、拓扑、显微、密度泛函理论/第一性原理/从头算、二维/低维、电子结构、相变、高压、铁电/铁磁/多铁、半导体，美国自然科学基金资助金额较高的关键词有：拓扑、超导、二维/低维、器件、显微、量子计算/量子比特、半导体、量子材料、石墨烯、光谱。我们看到，中国和美国科学基金在凝聚态物理学科均重点关注超导物理、拓扑体系和二维/低维系统，这些领域是近年来凝聚态物理学研究的热点。与中国科学基金相比，美国科学基金在凝聚态物理学科的器件研究、量子材料、低温及光谱学研究方面投入比例更多，而中国科学基金在高压物理和电子结构等领域则比美国有更多资助。图5 中美自然科学基金数学物理科学部2011–2021年对凝聚态物理学科资助金额按关键词统计对比(美元折算价按照2021年12月10日中国银行外汇牌价6.3702计算)。由此可见，中国和美国科学基金在凝聚态物理学科的资助布局基本一致，即主要面向以量子现象为主题的前沿研究，以超导物理、拓扑凝聚态体系、低维系统为主要研究热点，以计算和模拟为重要的研究范式，以新材料的设计和发现为突破口，以器件应用作为研究牵引。从中美两国科学基金资助布局，可窥见凝聚态物理学科的发展规律和研究特点。第一，基础和前沿是凝聚态物理研究的主旋律，体现了人类探索自然的好奇心是凝聚态物理研究的本源；第二，广泛的应用背景是凝聚态物理研究的强大驱动力，典型的例子是作为当今信息技术基础的半导体物理；第三，计算模拟成为凝聚态物理重要的研究范式，架设了理论和实验间的桥梁；第四，不断深化的学科交叉融合促进了凝聚态物理学的发展，软凝聚态与生物物理、基础能源物理、量子调控成为凝聚态物理重要的交叉领域。

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凝聚态物理学科发展布局

2020年以来，国家自然科学基金委数学物理科学部组织专家，开展了物理学“十四五”和中长期发展规划战略研究，明确了学科内涵，制定了学科布局。以下结合我国自然科学基金2011年以来的资助布局情况和物理学科发展规划要点，总结凝聚态物理学科发展布局，提出建议重点发展方向。
3.1 超导与强关联体系我国已在铁基超导、拓扑超导、二维关联材料等方向上做出了多项重要的工作。目前，该领域布局较完善，实验手段齐备。但总体上特别是在原创的实验成果和理论方面仍和本领域传统强国有一定差距。未来布局重点强调对新材料、新现象和新机理的探索，并以此为基础，带动整个领域的发展。根据学科发展现状和趋势，超导与强关联领域建议重点发展的研究方向包括：(1)超导与强关联体系的原创性理论和计算方法；(2)高温超导机理的判定性实验；(3)新型非常规超导材料探索与制备；(4)拓扑超导新体系探索；(5)室温超导的超高压实验研究；(6)基于关联电子材料的器件开发；(7)超导与强关联体系相关仪器研制。3.2 磁学与自旋电子学我国学者在稀土永磁材料、磁制冷材料、自旋电子学、表面与低维磁性、多铁性与磁电耦合和生物医学交叉等方面做出了具有国际影响力的工作。中国科学院强磁场科学中心、国家脉冲强磁场科学中心(筹)等大科学装置综合性能处于国际领先地位，可为多学科研究提供强大的科研平台。但我国在现代磁学前沿领域的原创性成果较少，与美国、日本、欧洲相关研究机构尚存在显著差距。目前我国在磁学与自旋电子学领域的基础研究布局包括：实空间与动量空间的拓扑磁性、低维磁性物理和量子奇异现象、异质结界面磁性物理、飞秒磁学与超快自旋动力学、磁性量子理论、自旋电子学物理及应用、磁性功能材料与物理、磁性表征的新方法和新技术以及磁学与其他学科的交叉等。根据学科发展现状和趋势，磁学与自旋电子学领域进一步的发展目标是在保持已有布局优势方向的前提下，开拓布局磁学基础研究的新生长点，组织布局磁学应用研究方向，并鼓励磁学与其他学科的深度交叉研究。需要布局的磁学新生长点包括：低温、高压等极端环境下磁性物理与磁性材料探索，磁性探测表征新方法与新技术，层状二维范德华磁性材料，自旋波和磁子学，自旋流探测新颖量子态，反(亚)铁磁自旋电子学，太赫兹自旋电子学，腔自旋电子学，利用自旋动力学随机过程的新型器件等。3.3 低维体系与拓扑材料我国的低维体系与拓扑材料物理研究水平在若干方向上处于国际领先地位。在拓扑材料和界面高温超导等研究方向取得了国际领先的研究成果。该领域接下来的研究关键在于基于发现的各种拓扑与低维量子材料，实现各种新奇拓扑量子效应，并探索拓扑量子效应的应用。根据学科发展现状与趋势，低维量子材料领域拟重点发展低维体系与拓扑材料中的量子态研究，促进表面界面物理与高温超导、半导体物理、磁学和材料学科的全面交叉和融合。(1)需继续加强的优势方向包括：二维米级单晶材料及其异质结制备；低维超导体系中界面高温超导与量子相变、量子相等方向的研究；磁性拓扑材料和量子反常霍尔效应；马约拉纳零能模和非阿贝尔量子统计；低维拓扑电子材料及其器件研究；范德华外延生长技术等。(2)需加强的薄弱方向包括：高质量二维单晶材料制备及其纵向异质结结构控制；基于拓扑量子物态和效应的器件应用相关理论和实验研究；低维材料性能与结构相关性的深入研究；低维材料新体系的制备与理论预测；低维强关联材料的可控生长；低维体系的先进显微学表征及其技术等。(3)鼓励的交叉方向包括：低维结构与拓扑材料的交叉；物理前沿与重大应用的交叉；与超导、磁学、半导体、能源、材料等传统领域的交叉；低维材料制备与显微学的交叉；低维材料与信息科学的交叉；低维材料与物理化学、生命科学的交叉等。(4)应促进的前沿方向包括：多层石墨烯或过渡金属硫族化合物二维纵向叠层体系中强关联效应研究；超高真空分子束外延生长技术与极端条件原位谱学表征和综合物性测量技术；强关联及磁性体系的拓扑理论以及长程纠缠拓扑序的材料和相关实验研究；低维新材料的探索与应用开发；低维材料原子级别可控生长及修饰；常压下低维高温超导材料的预测和探索；体相材料和复合材料中的低维问题等。3.4 半导体物理半导体物理是凝聚态物理的重要分支学科，当今半导体科学技术的成功可以归因于20世纪四五十年代以来，国际上具有远见卓识的科学家、企业家重视开展半导体物理研究。半导体物理研究也促进了整个凝聚态物理的大发展，不但参与了整数、分数霍尔效应及后来的自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等新奇量子现象的发现，而且许多新奇量子效应和元激发的载体本身就是半导体。我国没有跟上20世纪半导体产业大发展的节奏，没能形成数量庞大的半导体物理研究队伍。近年来我国在半导体芯片核心技术方面“卡脖子”现象实际上反映的是基础的缺失。在与国外产业技术严重失配的情况下，关键技术瓶颈背后的基础科学问题研究动力不足，传统半导体物理研究呈现弱势。彻底扭转半导体产业落后局面需要真正重视半导体物理的基础研究，并注重半导体基础物理研究与产业技术需求的有机结合。根据学科发展现状和趋势，半导体物理领域建议重点发展的研究方向包括如下几方面。(1)半导体能带理论，包括发展更加普适和精确的密度泛函理论和第一性原理方法，发展与GPU等先进硬件平台相结合的计算技术，发展遗传算法和基于人工智能的机器深度学习方法，注重半导体界面效应的研究等。(2)半导体声子物理，包括低维半导体系统中的声子拉曼光谱和声子输运、声子晶体研究、基于声子的量子调控和量子信息以及半导体激光制冷等。(3)半导体缺陷与掺杂物理，包括低维半导体的缺陷与掺杂、宽禁带半导体的非传统杂质掺杂、半导体和绝缘体中的磁性掺杂、有机/混合半导体中的缺陷性质、表面转移掺杂、光照条件下的缺陷行为、半导体器件中的缺陷与杂质物理、新的能带结构和缺陷计算方法等。(4)半导体低维量子结构，包括高质量半导体量子点的制备及其光学性质和量子态调控、基于半导体量子点的单光子和纠缠光子源、半导体量子点-表面等离激元耦合、栅控量子点和量子线中的量子输运及量子比特的实现等。(5)半导体中的光与物质强相互作用，主要包括激子激化激元凝聚体的量子调控，关注新材料、新机制及实验研究、新物理探索和器件应用等。(6)半导体中的自旋量子现象，包括半导体中单自旋的操控及高保真度多自旋量子比特，半导体自旋电子器件中的自旋注入、检测和滤波，半导体中光激发诱导的自旋极化现象，FM/2DEG/FM横向自旋阀器件、自旋Hall晶体管和自旋FET，居里温度高于室温的本征稀磁半导体以及稀磁半导体中的新奇物理效应，硅自旋电子学及其量子计算，宽禁带半导体中的自旋量子现象等。(7)半导体/非半导体界面物理，包括半导体与磁性材料、复杂金属氧化物和超导体等界面的晶格和轨道再构、电荷转移现象和界面新奇量子效应等。(8)半导体中的输运及其动力学过程，包括自旋输运与自旋动力学过程、半导体中的热输运和热电效应、输运测量的先进实验技术与方法、半导体量子输运理论及其数值模拟方法等。(9)量子霍尔效应，包括与半导体及其低维体系与异质结相关的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应、非阿贝尔任意子以及相关的材料与器件制备、先进实验技术与理论方法等。(10)二维原子晶体及范德瓦尔斯异质结构，包括高质量新型二维材料及其范德瓦尔斯异质结构的制备、物性与器件应用等。(11)新概念半导体器件，包括新型半导体激光光源、新概念与新原理半导体器件、光量子计算器件等。(12)新测量技术，包括近场扫描光学显微镜、时间分辨光学扫描显微技术、与激光结合的扫描隧穿显微镜、量子断层测量等技术在半导体物理中的应用与发展。3.5 计算凝聚态物理计算物理现已成为物理学研究中发展最为迅速的学科方向之一，形成了与实验物理和理论物理相辅相成的第三种研究范式。计算凝聚态物理研究范畴涉及纳米、磁学、表面、光学、极端条件、超导、拓扑，强关联电子系统乃至软物质等。我国在计算凝聚态物理领域主流方向上做出了可喜成果，尤其是在新兴的拓扑物态方面，多次成功预言若干重要拓扑材料。但是要真正有效面对国家战略需求和参与国际竞争，必须建立自己的专业梯队，特别是加强关键计算方法和相关软件的发展，解决一些核心理论问题、算法问题和软件开发问题，提升我国在这个领域的上游竞争力。此外，还要加强必要的计算设备，特别是大规模、超大规模并行计算环境，以及与之相适配的大规模、超大规模并行程序软件，最终应用于各类物理问题、材料问题和器件问题研究。根据学科发展现状和趋势，计算凝聚态物理领域建议重点发展的研究方向包括如下几方面。(1)第一性原理物性计算与材料预测，特别是直接计算和模拟使役环境下的真实体系，需要更快、更大、更准的第一性原理计算，更长时间尺度的分子动力学模拟等。(2)第一性原理计算方法和程序发展，开发自主知识产权的计算软件，发展更为准确普适的交换关联泛函从而提高计算精度和速度等。(3)基于第一性原理计算的材料设计，例如材料基因组工程、高通量第一性原理材料计算、逆向材料设计等。(4)电子激发态方法的发展，例如超越玻恩-奥本海默近似的动力学方法、含时密度泛函理论、非绝热近似分子动力学等。(5)固体结构解析与相变研究，未来发展方向包括大尺度、高温、基于机器学习算法提高搜索效率、强关联体系等。(6)统计与动力学模拟，包括量子热力学统计层面的新计算方法，例如针对核量子效应模拟的路径积分分子动力学等。(7)强关联电子体系，大规模数值模拟及其方法在强关联理论研究中占据了非常重要的位置，一些重要的发展包括数值重整化群、密度矩阵重整化群、张量重整化群算法等，需要进一步加强研究。3.6 软凝聚态与生物物理软凝聚态物理建议重点发展的研究方向包括如下几方面：(1)软凝聚态理论基础与实验方法，发展非平衡统计物理方法，建立理论-模拟-实验相结合的统计物理研究范式；侧重各向异性胶体颗粒新型制备技术等实验方法。(2)软凝聚态介观体系，活性物质系统中集体运动的定量理论模型与基本机制研究，微纳米尺度的高效可控自驱动机器人，软物质体系特别是胶体系统的相变研究，颗粒物质的微观结构与动力学研究等。(3)软凝聚态低维与界面体系，设计和制备高性能胶体微器件，开发新型软凝聚态低维与界面体系，并研究其相行为及自组装，发展针对软凝聚态低维与界面体系的计算机模拟新方法等。(4)水科学，借助先进的低温实验技术，从原子/分子尺度研究水的微观结构及其与界面体系的相互作用等。(5)液晶，液晶物理特性和显示器机理研究，液晶体系自组装特性及其光、电、磁、热响应特性；生物体系中的液晶研究等。生物物理领域加强物理学与生命科学的大交叉和大整合，围绕系统的生物功能及其蕴含的非平衡统计物理特性和动力学等关键科学问题，发展适用于描述生命系统的多尺度、多维度复杂动力学行为的非平衡统计物理新理论，综合运用分子和网络建模、定量分析方法以及动力学理论，加强研究生命分子和细胞体系的非平衡物理特性及其运行机制，阐明这些生命系统内在结构、功能和动力学之间的定量规律，为与生命科学交叉的研究提供新的物理学理论和定量研究方法及其实验表征手段。注重各种新实验技术和方法的发展，强调基于精密物理测量的定量刻画和基于精确数学描述的严密分析来研究生命现象中的基本物理和化学规律。布局单分子、单颗粒、单细胞、多细胞动力学的新原理和新方法研究，鼓励针对由多个生命小系统耦合形成的复合小系统的多尺度随机热力学、非平衡统计物理和动力学研究。鼓励多尺度成像融合、离体和在体相结合、实验测量和理论计算相结合等的整合科学研究新模式。鼓励发展面向活体的单分子研究、布局类器官芯片等三维生物芯片研究。布局脑科学相关的细胞动力学研究、神经科学和人工智能的交叉研究；鼓励人工智能技术在物理与生命科学交叉领域的应用，强化对复杂系统规律的探索。3.7 基础能源物理获得清洁和可持续发展的能源是我国乃至全人类共同面临的重大问题。由于物理学研究对象是能量、物质及其运动规律，因此它在能量的转换、存储、传输以及使用等关键能源科技研发上将扮演极为重要的角色。基础能源物理就是基于物理学的基本概念、科学思想、计算方法和实验表征从基础科学的视角系统地研究能量转换、存储、传输与使用以及能量转换过程的物理限制等关键科学问题。能源科学研究的基本对象常常具备时空有限和非平衡等特征，而信息辅助作用对能量转换的影响也会愈来愈大。所以实现微介观尺度上能量转换和信息传递的调控。如用人工合成系统模拟生命系统中近乎完美的高效能量转换功能。因此，在能源科技战略需求牵引下，物理学将与包括化学、生命、信息科学等学科进一步交叉，有望在能源物理领域中产生基础科学的源头创新。3.8 量子调控物理鉴于量子物理基础与量子信息科技发展的重要意义，我国政府高度重视该领域的发展，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006–2020)》将“量子调控研究”列入科技部四项“重大科学研究计划”之一，基金委数学物理科学部专门设立了“单量子态的探测及相互作用”和“精密测量物理”重大研究计划。在以上国家战略和研究计划的支持下，我国科学家通过前期探索性研究，在量子调控物理领域取得了具有国际影响的创新成果。根据学科发展现状和趋势，基金委数学物理科学部于2020年启动“第二代量子体系的构筑和操控”重大研究计划，并在2021年启用的新申请代码体系中增设“量子调控”为物理I学科5个一级申请代码之一。基于凝聚态体系的量子调控领域建议重点发展的研究方向包括：(1)量子材料与物性调控；(2)量子结构与量子效应；(3)基于凝聚态体系的量子精密测量；(4)固态量子计算与量子通信；(5)量子器件物理。结合科学目标和我国在相关领域的研究基础，优先发展可以尽快实用化或者具有颠覆性技术的创新领域，例如基于超导、量子点、固态自旋等具备良好可扩展性物理体系的固态量子计算；体现量子优势的量子算法、量子编程和量子机器学习；基于单自旋的量子灵敏探测及单分子水平的结构分析和成像等。

4

政策建议

4.1 鼓励“无用之用”，促进原创探索第一，鼓励“无用之用”，坚持锐意创新。基础研究的开展，可以探索和认识客观世界的规律，并拓展人类的知识边界，其重大突破，往往在发现之初或为偶然，或在当时并无明显的用处。然而，历史和实践证明，“无用”的基础研究是“科学-技术-生产力”链条的首要因素，自由探索式的基础研究在不经意间可能孕育着重大技术变革，当前“无用”的探索很可能会以某种无法预见的方式在未来变得“有用”。国家有关部门应引导社会舆论，对基础研究从认识上做出改变，鼓励“无用之用”，欢迎标新立异，容许探索失败，形成更加理性和开放的基础研究价值观。第二，持续推进科学基金改革，为原创探索提供制度保障。国家自然科学基金深化改革，把原创探索提到了前所未有的高度，对常规科学基金项目推行按照四类科学问题属性分类申请和评审，其中“鼓励探索、突出原创”列在首位，另专门设立原创探索计划项目，这些举措为鼓励原创性研究项目提供了制度保障。通过这些举措，一方面，更有效地遴选原创性强的研究项目，另一方面，引导整个学术界的创新观念。我们建议创造更加宽松的资助措施，更加宽容失败的创新环境。4.2 基础研究面向国家需求，积极应对新的国际形势第一，加强半导体基础物理，夯实产业发展根基。半导体产业是中美差距最大的产业之一，也是近年来我国同以美国为首的发达国家经济和技术角力的关键。当前我国半导体基础材料和元器件研发较薄弱，建议规划大型半导体综合性研发机构，把我国半导体产业从中间环节断裂的创新链条串起来。半导体技术的进步植根于物理机制的创新，须对半导体物理加以重视，倡导微观基础物理层面的半导体研究，注重半导体基础物理研究与产业技术需求的有机结合，在与半导体工艺、器件、可靠性等应用研究的相互交叉中形成合力，同时恢复半导体物理专业以储备人才。第二，重视科学仪器研制，培育尖端精密制造。科学仪器是一个研发周期长、技术壁垒极高的行业，先进科学仪器及其核心部件是发达国家对我国限制出口的重要内容。鼓励科研人员开展科学仪器的自主研发，彻底摒弃“造不如买，买不如租”的错误思想。进一步完善“国家重大科研仪器研制项目”的资助模式，加大对仪器研制人才的支持力度。优化评价机制，给予从事仪器研制和创新的人员更大的认可和支持。鼓励企业参与科学仪器研发，设立多级产学研转化项目，推动实验室设备的商品化。第三，推动计算物理软件研发，奠定未来工业设计基础。以传统计算物理为基础的工业软件是现代工业设计自动化和精密制造的灵魂，也是我国工业现代化进程中的一大门槛。当前蓬勃发展的现代计算物理学，例如以密度泛函理论为代表的计算凝聚态物理等，极有可能成为未来工业技术设计自动化的基础。应重视计算物理方法的研究，并鼓励相关应用软件的自主研发。鉴于发展计算方法和开发软件是一个长期而庞大的工程，应加大人力和物力的投入，必要时设立国家重大研发专项，例如以“国家重大科研仪器研制项目”的形式支持重大国产科学软件的研发，给予相关科研人员更加长期、稳定的经费支持。4.3 优化科研经费投入结构、提高科研经费使用效率第一，保证持续稳定的经费投入。着眼国家战略需求，立足我国国情，加强对若干重点领域的持续稳定支持，包括对国家未来科技战略具有重要意义的量子调控以及产业发展急需的自旋电子学和半导体物理等。第二，维持学科均衡稳定发展，加大对薄弱环节的投入。有些研究领域起步晚，规模小，研究水平较落后，但又是学科发展不可或缺的一部分。在科研经费投入中应充分考虑不同学科目前发展水平的特殊性，避免学科萎缩和人才流失。4.4 完善科研用人体系，优化科研队伍结构第一，扩大学科高端人才队伍。国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金等人才项目在我国科技发展过程中起到了积极作用，但随着科技的快速发展，科技人才体量与科技发展需求不匹配，当前凝聚态物理学科资助高端人才数量与其在科学体系中的基础地位不匹配，影响了学科的发展，建议继续增加人才项目支持人数，持续关注凝聚态物理学科高端人才培养。第二，完善同行专家评审机制。建立“负责任、讲信誉、计贡献”的专家评审制度和国际同行专家参与评议的机制。在评价体制上不再追求短期效应，而是注重对个人科研工作的中长期评价，引导面向核心问题和公开难题的研究。第三，根据学科发展规律制定均衡而全面的人才规划。提倡按需引进人才，避免热门领域重复发展、盲目引进，保护非热门领域的学科发展。提高研究队伍的质量。结合国内、国际同行评审机制，进一步推广“预聘-长聘”制度。

【致谢】本文的写作受益于与许多科研一线科学家的交流和讨论。特别感谢物理学科“十四五”与中长期发展规划战略研究专家组和秘书组，以及参与这项工作的广大科学家，他们集体智慧与辛勤工作形成的《物理学发展战略研究：2021–2035》是本文的重要参考。感谢国家自然科学基金委员会数学物理科学部物理科学一处凝聚态物理流动项目主任齐静波教授在凝聚态物理有关研究方向的讨论，感谢中国科学院文献情报中心沈湘副研究员对于VOSviewer软件使用上的指导，感谢中国科学院半导体研究所常凯院士在半导体物理发展方向方面的指导，感谢中国科学院物理研究所金魁研究员在超导领域发展现状方面的讨论。最后感谢学术界广大科研工作者对国家自然科学基金凝聚态物理学科工作的支持!

【参考文献】

1 国家自然科学基金委员会数学物理科学部.国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告. 北京: 科学出版社, 2017

2 国家自然科学基金委员会, 中国科学院.未来10年中国学科发展战略: 物理学. 北京: 科学出版社, 2012

3 国家自然科学基金委员会. 2021年度国家自然科学基金项目指南. 北京: 科学出版社, 2021

4 Anderson P W. More is different: Broken symmetry and the nature of the hierarchical structure of science. Science, 1972, 393: 177

5 刘益宏, 高阵雨, 郝艳妮, 等. 新时代国家自然科学基金资助导向下项目科学问题属性分布现状梳理及有关思考. 中国科学基金, 2019, 33: 508–513

6 姜向伟, 倪培根, 董国轩, 等.“单量子态的探测及相互作用”重大研究计划结题综述. 中国科学基金, 2019, 33: 467–474

7 姜向伟, 倪培根, 董国轩, 等. 新奇量子体系的设计、制备和物性操控. 中国科学基金, 2020, 34: 207–212

8 Chang C Z, Zhang J, Feng X, et al. Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator. Science, 2013, 340: 167–170, arXiv: 1605.08829

9 Wang C M, Sun H P, Lu H Z, et al. 3D quantum Hall effect of fermi arcs in topological semimetals. Phys Rev Lett, 2017, 119: 136806, arXiv: 1705.07403

10 Zhang C, Zhang Y, Yuan X, et al. Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2. Nature, 2019, 565: 331–336

11 Liu Q, Chen C, Zhang T, et al. Robust and clean Majorana zero mode in the vortex core of high-temperature superconductor (Li0.84Fe0.15)OHFeSe. Phys Rev X, 2018, 8: 041056

12 Zhu Z, Papaj M, Nie X A, et al. Discovery of segmented Fermi surface induced by Cooper pair momentum. Science, 2021, 374: 1381–1385, arXiv: 2010.02216

13 Yu Y, Ma L, Cai P, et al. High-temperature superconductivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ. Nature, 2019, 575: 156–163

14 Yuan J, Chen Q, Jiang K, et al. Scaling of the strange-metal scattering in unconventional superconductors. Nature, 2022, 602: 431–436

15 Wang Y, Wu T, Barbaud J, et al. Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors. Science, 2019, 365: 687–691

16 国家自然科学基金委员会, 中国科学院. 中国学科发展战略: 半导体物理学进展. 北京: 科学出版社, 2020

17 Flexner A. The Usefulness of the Useless Knowledge. With a companion essay by Robert Dijkgraaf. Princeton: Princeton University Press, 2017 [亚伯拉罕·弗莱克斯纳, 罗贝特·戴克格拉夫. 无用知识的有用性. 张童谣, 译. 上海: 上海教育出版社, 2020]

18 国家自然科学基金“第二代量子体系的构筑与操控”重大研究计划实施规划书

19 《物理学发展战略研究: 2021–2035》, 待出版.

【本文节选自】姜向伟, 倪培根, 董国轩, 等. 凝聚态物理学科发展态势与发展思路——基于国家自然科学基金资助情况(2011–2021)和物理学发展规划的分析与探讨. 中国科学：物理学 力学 天文学, 2023, 53：257001

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不代表中科院半导体所立场

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编辑：春雪