在知识创新工程试点中，物理所根据学术发展的最新动态，不断凝练研究方向，充分发挥人才优势，围绕一些重要学科领域，以学术带头人为核心，凝聚一批学术骨干，发挥各自特长，形成一种合力，瞄准国际科学前沿，力争在科研创新中为实现研究所的“跨越式发展”起到带动作用。近年来，物理所已先后有5个“创新研究群体”入选国家自然科学基金委员会设立的“国家自然科学基金优秀创新研究群体”基金，分别是“纳米结构薄膜生长机理和原子尺度控制的研究”群体(学术带头人：王恩哥和薛其坤)、“非常规电子态物质性质研究”群体(学术带头人：闻海虎)、“超短超强激光物理研究”群体(学术带头人：张杰)、“亚稳材料的制备、结构表征和物性”群体(学术带头人：汪卫华)、“纳米物理与器件研究”群体(学术带头人：高鸿钧)。目前，这些团队都在各自的研究领域中取得了一系列令人振奋的创新研究成就，科研成果呈“面上开花”之势。各团队通过在国际高水平期刊上论文的发表、在相关领域国际重要会议上的特邀报告和取得的国内外专利，以及与国内外知名科研机构的合作，在相关研究领域产生了重要的国际影响。

表面纳米结构的控制生长和量子操纵

材料的外延生长、纳米体系的形成及其微加工过程从本质上来讲表现为一个表面过程，研究其制备和控制生长的微观机理以及特异的量子效应已经成为当今众多学科交叉的热点之一。

“纳米结构薄膜生长机理和原子尺度控制的研究”团队将研究方向锁定在与具有重要应用前景的新型极限功能材料有关的薄膜和纳米结构上，同时开展了深入的实验和理论研究。2001年，该群体成为国家自然科学基金委员会创新研究群体首批资助对象，几年来取得了一批原创性成果。

实验上，在纳米结构与材料的制备方面取得了一些突破。发明了一种“幻数团簇+纳米模板”的新技术。利用扫描隧道显微镜，制备出形状相同、空间排列具有严格周期性的金属纳米团簇阵列。这是一种由纳米团簇这种“人造原子”周期排列形成的两维晶体。这类新的物质形态提供了一个探索纳米结构的量子效应和电/磁/光学性质的理想系统。该成果在《美国物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)上发表后,还被选为美国物理学会的Phys. Rev. Focus,并被Nature杂志作为每周物理研究的Highlight做了介绍，英国Electronic Engineering Times等对该项成果及其可能的应用前景也进行了报道。

在攻克了大面积原子尺度平整的薄膜制备技术后，从实验和理论上系统地研究了量子效应导致的材料性质的变化，观察到了铅薄膜超导转变温度随薄膜厚度的振荡现象。美国Illinois大学Chiang教授在Science上发表评论称：“该文章报道了一个漂亮的实验，证明了量子尺寸效应对薄膜超导电性的影响，这是一个对固体物理学发展具有重要基础意义的问题。”

理论上，该群体的工作加深了对薄膜/纳米结构在表面生长动力学的认识。提出了表面反应限制集聚理论，建立了三维ES势垒，发现了原子的边—角扩散势垒是控制量子点形状的主要因素，揭示了决定原子岛稳定性的微观机理，首次证明了在同质外延生长中金属原子在台阶附近的向上扩散运动。这些新的结果对表面生长动力学中一些悬而未决的基本问题给出了令人满意的答案。他们的系列研究工作在《美国物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)上发表后,Nature和Science分别3次进行了专题介绍。美国Pennsylvania大学Fichthorn教授在Nature上发表评论称其“向自组织生长迈进了一步”。

该群体的研究项目“原子尺度的薄膜/纳米结构生长动力学：理论和实验”，分别获得2003年北京市科学技术奖一等奖和2004年国家自然科学奖二等奖。近年这个团队与同事合作在Science上发表3篇文章,在Phys. Rev. Lett.上发表20篇文章,其中包括非第一单位9篇文章。

聚焦超短超强激光下的世界

超短超强激光与物质的相互作用研究(强场物理)是目前世界上非常活跃的前沿研究领域之一。成立于1999年的物理所强场物理研究组，是一支由近年来回国的青年学者组成的科研群体，平均年龄34岁。该研究组白手起家，奋发图强，经过几年的艰苦努力，建成了由具有国际先进水平的超短超强激光系统、先进的诊断设备和靶室系统组成的强场物理研究平台，并在超热电子产生与传输、超强飞秒激光脉冲在大气中的传输、实验室天体物理过程等强场物理研究领域取得了重要成就。

该群体于1999年和2001年先后自主建成了“极光—Ⅰ”(1.4TW)和“极光—Ⅱ”号(20TW)超短超强激光装置，建立了强场物理研究平台。在惯性约束聚变“快点火”、飞秒激光在大气中的传输、超短超强激光与物质的相互作用物理数值模拟研究等方面取得了突破性进展。

在激光惯性约束核聚变研究中，近年来提出的快点火方案受到广泛关注。该方案的关键之一是如何使用超短超强激光脉冲产生一束方向性很好的高能电子流并将其传输到高密度的预压缩的靶丸中，实现点火和持续燃烧。到目前为止，世界上虽然对超热电子的产生和传输问题进行了很多研究，但对如何控制超热电子发射方向仍不很清楚。不同研究组在超短脉冲激光与固体相互作用中观察到的超热电子的发射方向也很不一致。该群体在过去几年中，对此问题进行了系统的研究。他们发现，通过调制等离子体的密度标长、激光偏振态和入射角，可以控制高能电子束的发射方向。这一成果标志着人们对激光等离子体中高能电子产生和传输物理机制有了更深入的理解。

在飞秒激光与中等密度的液体等离子体相互作用中，首次在激光偏振面内观察到了两束准值的超热电子束(如图)，并做出了合理解释。这些重要进展加深了人们对飞秒激光脉冲和液体相互作用过程的理解，对于在实际应用中设计建设无污染X射线源和高能粒子源有重要意义。

在理论方面，他们发展的粒子模拟程序达到了西方发达国家同等研究水平。他们高度概括了超热电子、离子和x/y光子的在强激光等离子体相互作用中的发射规律。首次提出了一种称为随机加速的超热电子产生机制，该机制在与美国密歇根大学的合作实验研究中得到证实。此外还提出用超短激光脉冲在不均匀等离子体中通过激发大振幅的电子等离子体波可以产生超强THz辐射的理论。该理论为优化激光和等离子体参数来获得更强的THz辐射提供了可能。THz辐射研究领域对他们的工作非常重视，目前已经有国外的几个实验小组根据他们前期发表的研究成果积极准备相关实验。

过去5年间，该群体在Phys. Rev. Lett.上发表论文6篇，在Phys. Rev.上发表论文22篇，在Phys. Plasmas上发表论文10篇。

揭示新奇量子物理现象的奥秘

很多过渡金属化合物，包括高温超导体、磁性超导体、巨磁电阻材料、低维有机导体、重费米子等，均具有非常规的电子态特性。这些材料中的电子行为系统地背离了朗道费米液体理论，并呈现出十分丰富而新奇的量子物理现象。近10年来，对此类非常规电子态物质性质的研究已成为凝聚态物理中的前沿核心研究领域。

目前，人们对此类非常规电子态性质物质中出现这些新奇现象尚未取得完整认识，随着研究的不断深入，人们终会对这个问题取得全面深入的认识，这可能导致凝聚态物理的一场革命。正是顺应这个形势，“非常规电子态物质性质研究”团队将研究方向集中在非常规电子态物质性质方面。经过几年的努力，无论是在高质量样品的获得，还是在非常规电子态物理性质研究方面均取得了显著的成绩。

在高温超导体磁通动力学研究方面，他们抓住磁通动力学领域的一些疑难问题，设计带有创新思路的实验方法进行试验，发现了一些重要现象，解决了此领域中的几个重要科学问题，对高温超导磁通动力学的发展和高温超导材料强电应用具有指导作用。澄清了自1993年以来关于过掺杂高温超导体上临界磁场规律的一个错误认识，对解决高温超导机理问题有启示作用。实验证明了高温超导体中磁通布拉格玻璃相变在低温下没有截至点，这是高温超导磁通动力学领域多年来一个悬而未决的问题，对高温超导体的涡旋态相图是很重要的。发现高温超导大块材料中的磁通钉扎主要以转变温度的空间涨落所致，对高温超导体钇钡铜氧块材的应用具有促进作用。该系列工作获得2004年度国家自然科学二等奖。

此外，该群体还成功制备出高质量LaSrCuO超导单晶并进行了相关物理问题研究；成功生长出了高质量的 NaxCoO2 单晶并对其物性进行了系列研究；制备出高质量的二硼化镁和镁碳镍超导块材并对此类新型超导体物理性质进行了研究；在薄膜超导体量子调控特性研究以及多层碳纳米管中电子态性质的研究等方面也取得了一系列令人瞩目的成果。

在该群体入选基金委“国家自然科学基金优秀创新研究群体”两年多的时间里共在Phys. Rev. Lett. 上发表文章5篇，在Physical Review B上发表42篇，在Nature和Science上各合作发表文章1篇。

金属塑料：新型大块非晶材料

合成和发现具有新的结构与物理、力学等性能的亚稳材料一直是国际上材料科学与凝聚态物理研究的重要前沿领域。物理所“亚稳材料的制备、结构表征和物性”研究团队多年来一直活跃在该领域。几年来，该创新群体不懈努力、勇于探索，在块状非晶材料的合成与物性、氧化物高温超导体的高压合成等方面取得了一系列创新性成果。

在金属塑料和高强度CuZr基大块非晶合金的研究工作在国际上获得反响。最新一期 Nature在Highlight栏用 Going soft 的标题报道了金属塑料的工作。 另外， 这两篇文章同时被 PRL 选作Focus。据悉， 这是世界上大块非晶领域的文章第一次被选作 Focus。

他们合成出分别以镧系稀土元素中的8个元素为基的一系列块状非晶合金，其中，集塑料和金属特点于一身的新型铈基大块非晶材料——金属塑料具有迄今为止最低的玻璃化温度(60℃～90℃)，远低于通常的块体金属玻璃，具有比普通塑料高得多的热稳定性，很宽的过冷液相区,使该金属材料在接近室温的较宽范围内表现出超塑性。比如，它可在开水中立即变软，这样就可以像塑料一样在较低的温度下(如在开水中)很容易地对该材料进行成型、弯曲、拉伸、压缩和复印等形变，形成各种不同的形状；当温度恢复到室温，它又恢复了一般金属玻璃所具有的高强度(可以达到普通的铝合金以及镁合金的强度)等优良的力学和导电性能。另外，还具有很强的玻璃形成能力，是目前世界上少有的几个可以达到厘米尺寸的大块非晶体系之一。作为集塑料和金属的特点于一身的材料，铈基大块非晶在很多领域都具有潜在的应用和研究价值。

他们还成功研制出具有超高强度和塑性的CuZr基金属玻璃材料。该材料断裂强度达2265 MPa，同时具有一般非晶材料中不具备的加工硬化效应，尤其特别的是该材料具有极大的延展性(延展率为20%，而一般非晶合金材料的延展率只有2%)。这是在世界上首次用一般金属材料研制出塑性非晶合金材料。该材料的研制成功意味着大块非晶材料的应用范围可能大大被拓宽，对于克服限制大块非晶广泛应用的高成本和韧性差等问题有重要意义。

在入选基金委“国家自然科学基金优秀创新研究群体”仅一年半的时间内，该群体就在国际国内重要刊物上发表论文50多篇，获得中国发明专利4项，美国发明专利1项(在使用中)，受理10多项中国发明专利。

纳米研究“热点”中的“亮点”

纳米信息材料及其在电子器件中应用的研究是当今国际上的研究热点之一。围绕这一研究课题，“纳米物理与器件研究”团队在已有工作的基础上，结合国际趋势和国内需求，潜心研究，大胆探索，取得了许多有创新性的研究成果和技术突破。

在有机功能分子薄膜制备、分子薄膜结构与特性、新型存储材料的探索和超高密度信息存储等方面，取得了重要进展。设计合成了有机单体材料对硝基苯腈(PNBN)，通过真空热蒸发得到了晶态的薄膜材料；设计合成了包含电子给体和电子受体的有机薄膜材料DMNBPDA，通过STM电压脉冲，使得在电子给体和电子受体之间发生电荷转移，从而实现信息记录点的写入；设计了具有良好组装性能的超分子晶体复合物，可以简便地得到其晶体薄膜；设计合成了电荷转移型有机分子DDME，研究了其光电双存储性质；分别利用STM及双光子技术在其薄膜上实现了纳米尺度的高密度电存储和三维高密度光信息存储；采用等离子体溅射α-Fe2O3 (0001) 表面合成了高度有序、金字塔形状的Fe3O4纳米单晶点阵。相关的系列工作分别发表在Phys. Rev. Lett.和Advanced Materials 上。其成果被Phys. Rev. Focus，Science News 和美国能源部的Weekly report报道。

在纳米功能材料的制备、表征和量子效应研究中，在国际上首次用室温UHV-STM同时清晰地分辨出Si(111)7×7表面结构单胞中的所有6个rest atom 和12个adatom，获得了自STM发明20年以来最高分辨的Si(111)7×7的STM图像。采用UHV-STM对Ge原子在Si(111)7×7表面上的初期吸附以及具体结合位置进行研究。解决了20多年来Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置在理论和实验上一直悬而未决的问题。相关的系列工作在Phys. Rev. Lett. 等著名刊物上发表。

在无机功能材料和半导体材料相关系、晶体结构和物性研究以及多晶X射线衍射结构分析研究方面，在国际上首次提出在无空间限制条件下，不用模板，直接生长GaN纳米线的新方法，相关文章分别被国内外同行引用64次和44次，成为该研究领域的经典论文；与国际同行分别独立地同时发现纳米带和纳米片。该群体还自行研制了具有自主知识产权的高温晶体生长设备，解决了第三代半导体核心材料SiC晶体生长的关键问题，研制出2英寸的6H-SiC和4H-SiC晶体。

在纳米离子材料与纳米离子学方面，该群体在国际上率先进行纳米尺度的离子输运和反应研究，发展出一系列用于能量储存和转化的纳米材料，首次通过计算找出了提高磷酸铁锂材料电导率的途径并用实验予以证明。同时，集20余年之研究基础和近10年产业化经验，在锂离子动力电池研究、开发和产业化方面居于国际前列，开发出氧空位磷酸铁锂正极材料，可以取代钴酸锂的钴镍锰酸锂正极材料，高功率改性锰酸锂正极材料和可逆容量已经达到600mAh/g的复合负极材料并实现产业化，建成锂离子动力电池示范线，生产的电池安全性通过国际UL认证测试，为中国第一家。研制的混合汽车用高功率锂离子动力电池已用于示范运行车辆。已申请了国内发明专利30余项，其中纳米孔硬碳球、氧空位磷酸铁锂和Al2O3表面修饰正极专利是相关材料的关键专利，预期可以对国外相关材料专利形成制约。

仅在入选基金委“国家自然科学基金优秀创新研究群体”的一年多时间里，该群体共发表SCI论文70余篇；其中在Phys. Rev. Lett. 上发表3篇，在Adv. Mater. 上发表4篇。申请专利30余项。