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战略出台!“十三五”物理学科优先发展领域解析

2018-03-12 10:00:31 北京众星联恒科技有限公司 已读

当前,我国物理学研究有了很大的发展,研究水平达到了一定高度。物理研究的重要基础设施和实验条件等都有了极大改观,借助国家人才政策凝聚了一批优秀物理学家,形成了一支稳定、高研究素质的队伍。目前,物理学各分支学科已有较大的覆盖面,与其他学科的交叉更加深入、全面,在许多领域取得了国际同行广泛关注的研究成果,一些研究方向已处于学科发展的最前沿,甚至有些研究成果已成为学科发展的重要标志,一些学科分支已在国际上引领学科的发展。我国物理学发展已从过去跟踪学科前沿发展,逐渐进入到推动和引领学科前沿发展的新阶段。未来 5年里,在若干重要方向上将引领学科的国际发展趋势。

 

以下分领域提出学科优先发展领域。

 

1.量子物理与量子信息

 

根据学科发展现状和趋势,量子信息学研究将实现如下科学目标:

 

突破实用化量子通信技术的一系列技术瓶颈,构建安全的全域量子通信网络体系;面向通用可编程量子计算,实现多个量子比特的寻址和高精度相干操纵;对一些重要的、经典计算机不能有效模拟的复杂物理体系进行量子模拟;实现有应用价值的量子技术,如量子计量学。

 

我国的量子信息学科已经在国际上占据一席之地,在一些分支点已经处于世界领先水平。“十三五”期间,要继续保持发展势头,仅并行和跟踪是不够的,必须有一两项原始创新的引领性工作。因此,我们必须加强量子信息及其物理的基础研究,发展关键性的仪器设备创新,靠商用设备和他人技术路线是不能获得原始创新的。要减少没有科学动机、浪费资源、创纪录式的演示性实验的泛滥,要么可靠稳妥地解决国家实际需求提出的问题,要么在基础方面有前沿性的重要意义。

 

要加强的优势方向

 

结合前述科学目标和我国当前的研究基础,预计在“十三五”期间我国最有可能做出重大及开创性成果的优先发展领域为:

 

(1)实用化量子通信技术。

(2)基于固态自旋、超导、量子点等具备良好可扩展性物理体系的固态量子计算。

(3)基于超冷原子光晶格和自旋磁共振等实验体系的量子模拟。

(4)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。

(5)直接基于实验和启发实验的量子物理基础问题研究。

 

2.原子分子物理


要加强的优势方向有:

 

(1)超快强激光场中原子分子动力学研究。

(2)原子分子量子态的操控研究。

(3)温、热稠密物质的结构、辐射性质和状态方程研究。

(4)电子、离子碰撞物理前沿研究。

 

要扶持的薄弱方向

 

(1)复杂气体原子分子环境中飞秒激光脉冲传播规律研究。

 

(2)相关先进研究平台建设。原子分子物理学科是实验性很强的学科,面向学科前沿和国家重大需求,逐步有计划地进行学科相关先进研究平台的建设对提升整体创新科学研究实力至关重要。


建设:① 10fs以下超快强激光与原子分子相互作用研究装置,探索超短强激光诱导的新量子现象、规律,认识极端条件下物质的基本行为和变化动力学;②发展高效高次谐波辐射和阿秒脉冲产生与探测技术,探索超强 EUV和 X射线激光与原子分子相互作用的动力学以及阿秒脉冲控制电子运动技术;③与高能量密度相关的原子高剥离态及其过程研究平台,为认识和掌握高温高密度等离子体性质提供原子高剥离态辐射、碰撞相互作用的基础原子分子过程及数据支持;④结合极端波长(软 X射线到太赫兹)辐射源和超快激光技术,发展极端波长超快相干光对原子分子的泵浦 -探测技术,发展基于原子分子的影像谱学、符合测量等检测技术;⑤高性能计算与模拟平台,着重发展基于高精度量子从头算方法、含时的多体动力学量子计算方法、非平衡态过程计算等。

 

要鼓励的交叉方向

 

(1)原子分子团簇的结构与物理化学性质的研究。

(2)超快原子分子磁性演变和自旋反转动力学研究。

(3)复杂分子体系性质及动力学的飞秒时间分辨研究。


3.光学


建议的优先发展方向

 

今后 10年,需要围绕开创科学前沿和服务国家需求两个基本点展开学科布局,进一步凝练研究目标,充分发挥光学学科与其他学科交叉和融合的综合优势,力争实现若干重大突破和重要应用。建议的优先发展方向如下:

 

(一)超快和超强光物理

 

超快和超强光物理研究,一方面需要进一步探索发展超强超快激光新原理与新方法,创造更强更快的极端物理条件;另一方面,利用超快超强激光与物质的相互作用探索新的物理效应和应用。超快超强激光脉宽已达到周期甚至亚周期量级,激光与物质的相互作用也将产生新现象与规律。超快超强激光与特殊形态物质的相互作用也成为新的研究内容。超快超强激光加速机制可获得比传统加速器更高的加速梯度,有望发展成新型激光粒子加速器。激光驱动的强场高次谐波为获得极紫外区相干光源提供了一种有效途径,开创出了阿秒科学新领域。

 

(二)介观尺度光子学

 

介观尺度光子学发展方向已集中在纳米及深亚波长新型光场的产生,突破衍射极限空间尺度相干光场的产生,纳米尺度的极端光聚焦、表征与操控,介观光学结构光过程的精确描述,以及微纳结构中光子与电子、声子等相互作用的新机制等。光场约束能力与局域 /传输损耗关系的突破以及寻求新材料新结构是该介观尺度光子学重要的研究方向之一。目前,具有超强约束能力的表面等离激元纳米线结构,在表面等离激元共振波长附近,已经有希望将光场尺度约束到可以与固体中电子波函数所确定的空间尺度相当的程度,但是电子集群振荡与材料晶格之间能量交换所带来的高能量损耗,仍然没有解决。在介观尺度上结合近场光学、导波光学、非线性光学和量子光学等效应,是实现更好约束光场传输的有希望的途径之一。

 

(三)人工光场操控及相干控制应用

 

对光场进行人工操控和修改,从而创造出相应的极端条件对物理体系进行深入研究是极端光学前沿的重要领域之一。人工光场操控涵盖时间和空间等四维空间的调控和改变, 4个维度相互耦合。总体看,可分为光脉冲整形及相干控制(时间)和光空域调控(空间三维)。


(四)量子光学及冷原子分子物理

 

量子光学方向重大研究问题主要包括基础物理研究及量子态工程、光与物质相互作用中的量子光学研究和量子器件以及固态与人工结构中的量子光学问题。

 

此外,光电、电光转换物理与太阳能及照明等应用研究也是光学重要的交叉研究领域,对转换机理、动力学过程、尺度及表界面效应等进行深入研究,提出新机理,发展新材料、新结构,发展新型高效太阳能与电光转换器件。

 

建议重点支持的先进研究平台

 

为支撑上述优先发展领域和方向的研究,建议加强相关综合性研究平台的建立。历史上许多重大的科学发现都得益于实验条件的进步和研究手段的拓展。近年来极低温、强磁场、超快超强光场和高压等极端条件的发展和运用,使得人们可以在实验室中发现并研究物理、材料、化学和生命科学中许多奇妙的新现象,为未来能源、信息和材料等领域中科学问题的研究和核心技术的解决提供了新的途径。建议“十三五”期间重点支持的先进研究平台如下。

 

(一)同步辐射光源装置

(二)超强激光综合研究平台

(三)纳米、微米尺度精密介观光学加工和研究平台

(四)光量子信息研究平台

 

4.量子光学

 

依据学科的发展特点及自身规律,量子光学与冷原子分子物理未来的发展目标仍将站在国际前沿,瞄准以光子与原子(分子)为基础的高尖端技术所牵引的重大科学问题。在思想深度、控制精度与认识高度上推进人类对光与微观物质世界的认识的飞跃,产生对本学科发展具有深远影响的突破性理论、原创性关键技术原理,以及能促进其他相关学科进步、形成前景广阔的交叉领域的科学思想。通过重点布局具有原始技术创新性的研究方向,发展与其他相关学科,如凝聚态物理、纳米科学、材料科学、量子信息等密切相关的量子表征技术,开拓推动学科自身发展、引领人类文明进步与满足国家战略需求等相关的核心技术。同时在发展中,为年轻学者创造机遇与环境,在该领域造就一批世界级的科学家和领军人物,形成若干个引领国际前沿的研究团队和中心。

 

要加强的优势方向

 

目前学科整体上已有很好的研究积累,已形成一些高水平的优势方向,具备了一定的国际竞争能力。学科发展布局需要继续保持优势方向的可持续发展,同时又要进一步凝练研究目标,力争在以下优势方向上,发挥我们的长处,取得国际引领性的研究成果,实现若干重大科学思想与关键技术突破。

 

(1)光子 -物质相互作用与量子操控。在量子水平上,探索光子 -原子相互作用的新机制,发展光子、原子(离子)的精密量子操控新方法与新技术。包括腔量子电动力学(QED)及受限空间中的原子 -光子相互作用、单量子水平控制;量子非线性光学,包括光子的非线性相互作用、量子转换、基于相干原子系综的光子 -原子量子操控、量子干涉与量子关联等。

 

(2)冷原子气体的物性研究。在已有的玻色 -爱因斯坦凝聚和简并费米气体的实验基础上,探讨如何实现对冷原子外部环境和内态超导精确操控、裁剪原子间的相互作用以及发展高分辨率的原位成像技术和各种谱技术,推进对冷原子气体的物性研究。另外,由于不同元素具有不同性质,有可能导致新的物理,其探索包括其他碱土金属和镧系金属元素在内的新原子种类的冷却,这也是冷原子物理的一个重要方向。

 

要扶持的薄弱方向

 

量子光学和冷原子分子的实验研究主要受制于各类实验技术和仪器设备,应重点扶持的薄弱方向包括:

 

(1)量子光学和冷原子中的实验与技术。

(2)超冷分子气体的制备和操控。

 

要鼓励的交叉方向

 

学科交叉是科学研究创新的源泉,是新学科生长的温床。量子光学与冷原子分子物理从一开始从自身角度的发展到相互融合,已形成了若干个交叉方向与生长点。在未来发展中需要鼓励的交叉方向包括:(但不限于以下内容)

 

(1)量子信息中的光子、原子与分子。 

(2)凝聚态物理与量子光学。

(3)基于冷原子气体的量子模拟。

(4)能源与生命科学中的量子光学问题。

 

要促进的前沿方向

 

(1)量子腔光力学。

(2)量子计量学。

(3)超强耦合腔量子电动力学。

(4)杂化量子系统。 

(5)高能光子量子光学。

(6)超冷里德堡原子气体。

 

5.超强场物理


我国在强场正负电子方面的研究可以说刚起步,因此需要开辟新的研究方向,并力争在国际上影响和引领这个学科的发展。其研究对深入理解 QED真空在超强场下产生正负电子对的物理过程以及实验研究起到积极的促进和指导作用。


Z箍缩研究具有重要的应用前景,尤其在驱动惯性约束聚变研究方面可以带动很多学科的发展。我们将立足于现有实验平台开展理论研究和实验研究,增强研究力量,针对聚变问题开展理论研究和部分物理过程的实验验证,逐渐形成我国在 Z箍缩驱动惯性约束聚变研究方面的技术路线。在惯性磁约束聚变领域的研究得到了快速发展,并引起了国际同行的关注。学科进一步发展的目标是,通过与惯性磁约束聚变相关的理论及实验方面的研究,带动高能量密度物理及强磁场物理研究发展,促进相关领域及应用的大力发展,争取在国际惯性磁约束聚变领域占据一席之位,同时探索出一条适合我国国情的惯性磁约束聚变途径。

 

要加强的优势方向

 

(1)运用求解 QVE的方法。

(2)基于“聚龙一号”实验平台的理论和实验研究。

(3)大电流 Z箍缩驱动器概念设计和关键单元技术研究。

(4)高温磁化等离子体聚变点火机理的研究。

(5)超强磁场与物质的相互作用理论研究。

 

要扶持的薄弱方向

 

(1)Z箍缩内爆的早期等离子体形成,涉及单丝汽化、电离、单丝等离子体形成以及多相混合等物理过程和问题,同时,单丝等离子体的融合、等离子体的整体消融、不稳定性种子的特征仍是需要深入分析研究的问题。

 

(2)套筒内爆不稳定性和燃料的激光预热与磁化过程研究,同时研究其对燃料压缩、等离子体能量损失以及粒子能量沉积的影响。

 

(3)Z箍缩驱动条件下的靶物理研究。Z箍缩具有区别于激光的显著特点,因此靶设计必须考虑到 Z箍缩驱动源的特征以开展专门的研究。

 

(4)金属材料在超强磁场环境下的动态性质。主要针对金属材料特别是铝、铁、铜以及金等,在超强磁场作用下,主要强调其物理状态和导电特性从固体到液态及气体的变化情况,以及对聚变过程所产生的影响。

 

(5)超强磁场在固体、液体、气体以及等离子体中的扩散规律。一方面是均匀的超强磁场在金属中的正常扩散及输运特性;另一方面是非均匀的超强磁场位形在金属中的反常扩散及输运特性。

 

(6)高温氘氚磁化等离子体的热核反应截面以及输运系数研究。这与实现惯性磁约束聚变息息相关,非常重要,这一研究或许能够揭示实现点火的重要微观信息,对高能量密度物理的发展产生重大影响。

 

要鼓励的交叉方向

 

(1)鼓励与等离子体物理的交叉,通过对强场下产生的正负电子对所构成的对等离子体的研究,发现新的等离子体波的现象,并揭示其物理特性。

 

(2)鼓励与超快科学和技术的结合与交叉。飞秒超过技术有着广阔的应用前景,已经成为调控和探测量子真空态的有力工具。这方面有望做出新发现和新物理。

 

(3)鼓励与核物理的交叉,如处理重离子碰撞中夸克对的产生和夸克胶子等离子体的形成等问题。

 

(4)高温磁化等离子体的诊断技术,包括高温磁化等离子体温度密度压强以及超强磁场的测量诊断技术。

 

(5)强脉冲磁场下的能量转换机制研究,探索相关能量转换机制、开展强脉冲磁场下的湍流、输运研究是理解磁场与物质相互作用,认识强 X射线辐射源产生过程的基础和关键。

 

(6)高温磁化等离子体靶的形成与磁重联及现象研究,这或许可以沟通微观点火机制与宏观天体现象的联系,形成相互借鉴的交叉学科。

 

要促进的前沿方向

 

(1)非微扰区域中的多光子过程。

(2)针对有较多研究基础的方向,包括 X射线辐射源产生、黑腔辐射输运以及 Z箍缩驱动惯性约束聚变整体过程,设立重点研究课题,给予较大强度的支持,开展针对性研究。

(3)应鼓励在脉冲强磁场条件下开展等离子体与电磁能转换机理、磁化套筒惯性聚变等方面的基础研究,并提供持续稳定的资助。

 

6.半导体物理


要想改变我国半导体物理的研究现状,面对挑战,迎头赶上,必须按照科学创新的客观规律行事,必须重视半导体物理对半导体科学技术创新的引领作用。

 

顺应与凝聚态物理其他分支学科交叉的趋势,从项目研究、学术研讨和人员流动等方面主动推进学科均衡发展和交叉,在保持一定数量的、从事半导体物理的研究队伍的同时,要重视相关基地的建设,尽快将我国半导体物理的研究水平提升到国际先进水平。

 

大力推进将半导体物理研究中的新概念、新现象应用于半导体材料和器件的研制之中,提升我国研制新材料、新器件的创新能力,彻底改变以往我国半导体科学技术长期只做跟踪研究的被动局面。

 

7.超导和强关联

 

我国的超导和强关联物理学科研究经过了过去 10年的快速发展,在国际上占据了一席之地。学科进一步发展的目标就是要在现有基础之上,继续发挥我国在超导和强关联研究方面的优势,扩大研究队伍体量,争取在未来的 10年达到日本在超导和强关联领域研究队伍的体量,进一步增强竞争力,在“十三五”期间不仅能够继续做出一批具有国际水平的研究工作,力争在铁基超导和重费米子超导机理方面取得重大进展,并且能够做出一至两项最原始的研究工作,发现一种新的具有重大意义的超导材料(如一种新的超过液氮温度的超导体),开辟高温超导研究的新方向,在国际上引领本学科的发展。

 

要加强的优势方向

 

(1)铁基超导机理的研究。

(2)高温超导材料的探索。

(3)新型强关联量子材料的探索。

 

要扶持的薄弱方向

 

(1)材料是本学科发展的驱动力,目前的年轻力量也仍显不足,有待加强扶持。除了体材料之外,也须加强在复杂体系薄膜和界面体系的精确控制生长技术的研发。

 

(2)重费米子超导有丰富的物性,许多基本问题仍然长期悬而未决。特别是 5f体系中有很多新的现象亟待发现。我国在此领域的研究开展较晚,力量薄弱,须扶持。但是因为我国在超导研究的前期积累,有希望在重费米子超导机理研究上取得重大突破。

 

(3)同步辐射等大型科学装置的实验技术提升。先进同步辐射技术非常丰富,往往能够揭示关联材料的重要微观信息,但是我国凝聚态物理领域的先进同步辐射实验站比较欠缺,可以通过仪器项目的支持,建设这方面的能力。类似的,中子散射和强磁场等涉及大科学装置的实验技术也有待大力扶持。

 

要鼓励的交叉方向

 

(1)鼓励与表面物理的交叉,通过构筑超导和强关联材料的表面与界面,发现新的量子现象。

(2)鼓励与超快科学和技术的结合与交叉。

(3)与拓扑量子材料的交叉领域,如近藤拓扑绝缘体、拓扑超导体等有可能做出很多新的发现。

(4)与以石墨烯为代表的二维晶体的交叉。

(5)基于关联电子材料的量子器件开发。

 

要促进的前沿方向

 

界面超导,特别是 FeSe/STO等界面体系,有可能突破液氮温区,产生重大影响。因其结构简单,对于超导机理也很有研究价值。

 

8.磁学

 

我国的磁学研究经过过去 20多年的快速发展,在稀土永磁等稀土 -3d过渡族化合物、磁电阻效应、巨磁热效应等研究方面发展迅速,在国际上占据了一席之地。在现有的基础之上,经过“十三五”期间的发展,一定能够继续发挥我国在磁学研究的优势,培养青年人才,壮大和增强研究队伍,能够继续做出一批具有国际水平的研究工作,力争在拓扑磁性、自旋电子学、磁性关联电子材料、多铁性物理等方面取得重大进展,发现具有重大意义的磁性新材料,开辟磁学研究的新方向。

 

要布局的磁学新生长点

 

拓扑磁性。拓扑磁学是研究具有拓扑自旋结构的材料、物理及其应用的新兴学科。拓扑自旋结构是一种新的自旋量子态。磁性斯格明子是一种磁性拓扑态,在一个周期性单元中自旋指向空间所有方向,围成一个球,任何方向的自旋可以在同一单元中找到其旋转 180゜的镜像。由于拓扑对称性的保护而不易受外界干扰,同时驱动其运动的临界电流密度要比驱动畴壁移动的临界值小 5~ 6个量级,因而具有拓扑自旋结构的材料将是未来信息技术的核心材料。

 

要保持的优势方向

 

(1)自旋电子学。 

(2)关联电子磁性材料与异质结构。

(3)多铁性材料与物理。

 

要扶持的薄弱方向

 

(1)传统磁学(如稀土永磁等)涉及国家安全和经济建设等重大需求,而且具有不可替代性,但往往由于被认为没有“新物理”而得不到重视,要加强对传统磁学的研究,特别是新型磁性功能材料的探索。

 

(2)强磁场下材料往往会产生新的磁现象和磁相变,中子散射可以获得磁结构的精确信息,同步辐射可以作为先进磁表征技术如 XMCD的光源。进一步扶持与完善基于大科学装置的实验技术,是提升磁学研究,推动磁学发展的重要手段。

 

要鼓励的交叉方向

 

(1)磁学与半导体物理、表面物理、超导与强关联、固态量子信息等领域的交叉将会产生新的前沿方向和生长点,推动凝聚态物理的发展。

 

(2)磁学与生物医学、化学等学科的结合与交叉将会开辟全新的学科方向,并产生重大的应用前景。

 

9.表面、界面物理


争取在未来的 10年内我国的表面界面物理研究整体达到世界领先水平,建立一个结构合理的研究队伍。通过强力资助异质结界面量子态研究,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与融合,取得一系列的重大科学突破,使之成为我国主导的重点领域。

 

要加强的优势方向

 

(1)拓扑量子态。

(2)界面超导态。

(3)异质结热电材料。

(4)高效光电转化效率的异质结。

(5)超导 /拓扑绝缘体 /热电材料 /磁性材料的异质结。

 

这方面的重大科学突破或目标:一系列全新的 Tc超过 77K的高温超导体系的发现、高温超导机理的解决、 Majorana费米子的实验验证、拓扑超导态的实现、高阶量子反常霍尔效应的观测、新的高转化效率的太阳能材料和高热电系数的热电材料的发现等。

 

要扶持的薄弱方向

 

(1)目前,高质量氧化物薄膜材料的制备是制约表面界面物理最关键的瓶颈问题。要真正实现高质量的氧化物材料的可控制备,表面生长动力学和薄膜生长机理是关键,也是难点和薄弱环节,需要鼓励和扶持。

 

(2)不同材料异质结的制备,如石墨烯 /BN、拓扑绝缘体 /超导等,这是一个非常难的材料制备问题,需要鼓励不同学术背景的科研人员参与。

 

(3)加强对科学仪器及实验技术的自主性研发。新技术的应用往往会带来一些关键的突破,如原位输运测量技术的发展,证明了单层 FeSe/STO超导有可能突破液氮温度。加强 LEEM和 PEEM实验技术的发展,我国在这方面的研究几乎是空白。

 

要鼓励的交叉方向

 

(1)鼓励表面界面物理与高温超导、低维磁学的交叉。这可能是解决高温超导和发现新奇磁性现象的一个重要机遇所在。

 

(2)鼓励与电子学和信息科学的交叉。拓扑绝缘体和拓扑量子态的研究对未来的电子学和量子计算的发展极其重要,目前已到了需要交叉研究的关键时刻。

 

(3)鼓励与半导体领域的交叉,特别是与半导体电子学和太阳能利用的交叉。

 

(4)鼓励与能源材料特别是热电材料的交叉以及与催化领域的交叉(后者是传统的表面科学内容)。

 

要促进的前沿方向

 

(1)界面超导,特别是 FeSe/STO等界面体系,有可能突破液氮温区,产生重大影响。因其结构简单,对于超导机理也很有研究价值。

 

(2)拓扑超导和 Majorana费米子。该方向在未来 5年左右将会有重大突破。

 

进一步促进理论和实验的结合

 

理论研究在该学科的发展中起了重要作用,特别是对拓扑绝缘体方面的发展更是起到了指导作用。培养高水平的理论研究队伍,加强理论和实验的密切合作也是提高该领域研究水平,实行学科目标的重要途径。


10.声学


优势方向与薄弱方向的平衡

 

对照国外近年的声学研究,我国在大气声学、动物声学、心理和生理声学、语言声学等方向的研究相对薄弱,而这些方向在对提高人类生活质量,认识大自然,或者服务于人类方面是十分重要的,“十三五”期间,我国应该对其引起足够的重视。

 

多个学部的交叉

 

在国家自然科学基金资助的范围内,声学学科涉及多个学部,除数理学部外,还有医学部(医学超声)、信息学部(通信声学和语音处理)和地学部(大气声学、地球声学和海洋声学)。数理学部资助偏重于物理性研究的项目。而声学本质上是一门应用性极强的学科,其物理问题一般是在实际应用与工程中提出的。因此,建议与不同学部交叉,开展重大项目或者重大计划的研究。

 

加强基础性研究

 

鉴于声学在国民经济和国防建设中不可替代的作用,加强我国声学领域的基础和应用基础研究是十分必要的,特别是声学应用中突出的共性物理问题,如复杂介质中声的传播和调控,在声学应用的各个方面都存在,只是应用的具体背景不同,研究的尺度不同。尤其要重视水声物理的研究。

 

加强国际合作

 

声学领域的国际合作投入需要进一步加强,通过实施国际科技合作重点项目,提高我国声学研究的总体水平和层次,培养一批高水平的声学科技人才,特别是要注重培养具有国际影响力的领军人物。重点支持若干项由我国声学家提出的、有一定优势和特色(如浅海声传播研究、 HIFU治疗、噪声控制工程等)的国际合作项目。

 

加强人才队伍培养

 

加强声学人才队伍的培养和建设是声学领域迫切需要解决的问题。声学学科是物理学中的“小学科”,但在国家经济建设、国防建设中不可或缺,甚至不可替代,可以说有“大用处”。希望声学学科在创新群体建设、国家杰出青年和优秀青年培养、重大项目和计划的设置等方面取得更好成绩。

 

11.软凝聚态物理及交叉领域

 

要加强发展的优势方向包括:

 

(1)探讨其介观多级结构与特殊性能和形成机制的物理机制。

(2)水相关的基础科学问题的研究。

(3)软物质凝聚体系的研究。

(4)软物质凝聚体系的集体行为的研究。

(5)相变。


12.基础物理(理论物理)


优先发展和交叉研究领域:

 

(1)极早期宇宙研究。

(2)超弦 /M-理论研究。

(3)超出标准模型新物理的理论研究。

(4)高能物理与天文学的交叉。

 

13.基础物理(统计物理)


统计物理是交叉性很强的学科,只有交叉才能保持生命力,因此发展统计物理学科要做加法,不能做减法,要不断融入一些从其他学科发展起来的新兴方向。与此同时,结合学科发展趋势和紧迫性,建议集中力量侧重以下几个方面的研究。

 

(一)小系统物理

 

低维小系统呈现出极为丰富的新物理效应,具有巨大的理论和应用研究价值,已经成为物理、材料、化学、生物等领域的主要对象,是统计物理、热力学、非线性动力学、量子理论、凝聚态理论等学科的前沿热点,是当前理论创新和技术发展的重要源泉。低维小系统不仅包括量子点、量子阱,纳米线、纳米管、石墨烯、纳米颗粒以及由它们组成的微型器件,而且还包括生命过程中的微纳米结构和微纳米系统(如 DNA、蛋白质、微管等),其物理内涵非常广泛,包括小系统的统计物理、输运理论、凝聚态物理,相互作用量子小系统的动力学,量子热力学与量子热机,量子经典对应,生命过程中的输运与能量转换,量子网络上的能量转化,微流体理论,微环境中水的性质等重要科学问题。由于其维度降低或尺寸缩小,热涨落甚至量子涨落成为决定系统性质的关键,这使得小系统必将成为统计物理与热力学的重点方向,同时,小系统物理涉及物理学各个领域,建议作为物理学科的重点交叉方向进行布局。

 

(二)基础理论与统计物理方法研究

 

基础研究不仅是应用发展的前提,也是国内统计物理学科能否取得国际地位的关键。近年来随着物理学研究对象的快速拓展,发展统计物理基本理论和方法的必要性越来越突出,取得突破性进展的条件正在成熟。主要科学问题包括统计物理的基础,统计物理模型和方程的精确解,非平衡相变、动力学相变、量子相变以及其他新型相变和临界现象的刻画与机理,无序和自选玻璃系统的统计物理及其在信息科学与优化问题上的应用,非平衡输运理论特别是低维材料与系统的输运理论,反常扩散的统计物理理论,非平衡涨落和响应的一般性理论,非广延系统的统计物理等。统计物理方法对应用问题具有关键作用,发展解析和数值方法也是基础研究的重要内容。

 

近年来,量子物理和统计物理两个方面基本问题的研究表现出了相融合的趋势。例如,量子相变研究揭示了微观粒子的相互作用和量子涨落的竞争会导致与相互作用细节无关的普适性,量子涨落可能会导致非平衡稳态中存在量子相干性。从量子力学的角度考察统计物理的基础,量子系统的遍历性、广义 Gibbs系综及其适用性、多体局域化、典型态与系综描述的关系、本征态热化假定与平衡态的关系、平衡态的微观含义、温度理解正在成为研究热点。这一趋势值得特别重视,可能会导致统计物理的深刻变化。

 

(三)应用研究与交叉领域

 

统计物理应用研究前沿广泛地分布在物理学、化学、生物等学科领域,这些领域都有大量的应用研究课题,对推动相应学科的发展具有重要意义,这些交叉课题都值得支持。同时,统计物理基础研究队伍应集中力量发展一些具有一般共性的新兴交叉方向,抢占先机,取得原创性成果。

 

(1)与生命过程、生物活性物质有关的交叉领域。

(2)复杂网络与金融、社会科学相关问题的研究。

(3)其他交叉领域。非平衡统计在宇宙学中的应用,如相对论 Brownian运动、背景辐射精细结构等。

 

14.粒子物理


优先支持的领域

 

粒子物理学科发展目标瞄准重大科学前沿问题,突破关键技术和方法,加强优势领域、持薄弱方向、长远布局,鼓励促进学科交叉。优先支持的领域有:

 

(一)标准模型精确检验及超出标准模型新物理研究和高能量实验前沿

(二)强相互作用理论及唯象研究、味物理及对称性研究和高精度实验前沿

(三)非加速器实验前沿

(四)粒子物理实验方法和技术

 

发展的领域和方向

 

(一)进一步加强的优势方向

 

北京谱仪实验( BESIII);大亚湾与江门核反应堆中微子实验;羊八井和四川稻城高原宇宙线实验。

 

(二)需大力加强的方向

 

LHC实验及其升级改造; CJPL深地实验室的建造和相关实验;先进的粒子物理实验方法和技术(包括加速器、探测器、核电子学技术等)。

 

(三)需促进扶持的方向:

 

1.下一代新的实验装置可行性和关键技术预研

 

(1)以τ -粲物理为主要目标,兼容同步辐射光源的下一代高亮度正负电子加速器(high intensity electron positron accelerator facility);

(2)以研究 Higgs粒子性质和精确测量 Z玻色子为主要目标的大型环型正负电子对撞机(circular electron positron collider),及以发现新粒子、新现象为目标的能量约100TeV的超级强子对撞机(super proton proton collider);

(3)以寻找暗物质、反物质,研究宇宙线的起源、组成成分及其加速机制为目标的空间和高原实验室。

 

2.国际合作

 

(1)基于加速器的高亮度和高精度前沿实验: LHCb实验、 BelleII实验、 FAIR上的 Panda和 CBM实验、Jlab 12GeV实验;

(2)中微子实验:进行以太阳和大气中微子研究的日本超级神冈(Super-K)实验;研究中微子震荡的美国费米实验室长基线中微子实验(LBNF);以美国为主的无中微子双β衰变实验 EXO-200;

(3)以寻找反物质、暗物质,精确研究宇宙线为目标的,在国际空间站进行的 AMSII实验;

(4)意大利国家地下实验室( Gran Sasso)进行的暗物质寻找实验Darkside、Xenon。

 

15.核物理


结合国际上核物理研究的前沿方向和国内的研究基础,特别是兰州和北京两个大科学装置,以及配合即将开始建设的我国新一代核物理大科学装置,建议我国的核物理研究突出和加强以下研究领域:

 

(一)在兰州与北京大科学装置上开展核性质、核结构和核反应研究

 

可望取得重大突破的方向包括:

(1)不稳定核的基本性质(包括质量)的精确测量。

(2)滴线区原子核的奇异结构(如集团、2p、2n等)研究。

(3)同位旋相关的衰变谱学研究。

(4)合成超重核的新机制和新技术。

(5)关键天体核反应测量。

(6)弱束缚(开放体系)量子多体理论。

 

(二)中高能重离子碰撞与高温高密核物质

(三)北京谱仪与新强子态及其性质研究

 

可望取得重大突破的方向包括:①基于 HIAF的核子结构研究;②重夸克偶素能谱和 XYZ新强子态;③超子激发态的性质及其辐射跃迁;④基于国内大科学装置的核子宇称破坏过程;⑤核物质中强子的性质。

 

16.核技术及应用

 

为推动我国核科学技术及应用研究的迅速发展,取得重大创新的研究成果,解决国家安全和经济建设急需的重大科学问题,为国民经济和社会生产力的发展做出重要贡献。核技术及应用应重点资助以下研究:

 

(一)核能利用

 

大力开展与核能利用相关的核技术研究,服务国家能源战略,已变得十分迫切。需要开展的重要研究方面包括先进反应堆物理、新概念核反应系统(如加速器驱动次临界系统)、核燃料的裂变物理、核燃料的处理、强辐照条件下的材料性质等相关的物理问题与技术方法。

 

(二)先进放疗技术

 

质子治癌和重离子治癌作为两种先进的放射治疗技术,因癌症治疗效果显著,在国际上得到了较快的发展。随着我国经济水平的快速发展,以及对健康水平要求的不断提高,我国在这方面的需求也日益增长。我国在质子加速器和重离子加速器研制方面已具备了较好的技术积累,在离子辐照生物学效应与治疗机理方面的研究也具有良好的基础,应进一步加强对离子辐照治疗癌症装置研制和离子辐照治疗癌症机理研究中的重要科学和技术问题的研究。

 

(三)核影像技术与新型探测技术

 

在核影像方面,应大力加强在以下若干关键科学问题和关键技术方面的研究:发展核影像方法、理论与算法,显著增强在核影像方面的自主创新能力和系统集成能力,发展新型的高灵敏度探测技术,支撑自主研制高性能的核影像系统。加强国家社会公共安全相关核影像技术新原理、新技术与新方法的研究,发展新型的核影像系统。在新型探测器方面,应加强先进脉冲射线束测量、先进辐射探测、逆康普顿散射源、以宽禁带半导体探测器为代表的新型探测器等方面的研究。

 

(四)大科学研究装置关键原理与技术

 

大科学装置是核科学技术发挥的重要支柱。在这个方面重点支持以下研究:先进指标加速器的前沿理论和关键技术研究,包括强流高电荷态离子源、强流高功率超导直线加速器技术、强流重离子横向累积与纵向堆积、强流重离子动态真空技术、强流重离子束流阻抗与不稳定性、先进的束流诊断和冷却技术、超导磁铁和高性能电源等;基于大科学装置平台的空间辐照单粒子效应、生物效应的研究。

 

17.同步辐射


实验技术是探索未知世界、发现自然规律的科学研究手段。 21世纪的基础科学研究正从传统被动的“观测时代”走向主动的“控制时代”。随着同步辐射光源性能的持续提升,近期应该大力发展同步辐射大科学装置与科学研究相适应的实验探测手段,更好地从原位、实时、动态的角度开展针对我国的重大战略需求和当今世界的若干前沿重要科学问题的深入研究,将有望实现我国科学研究在物理、化学、材料、生命、能源和环境等领域的重点跨越,并提升核心科学竞争力。同时,光源的质量和探测器的测量能力是开展实验研究的关键环节,应该提前布局新光源的加速器物理原理和关键技术的预研探索研究,以及高灵敏、响应快、低噪声的各种能量波段新型探测器的研究。

 

要重点支持的方向

 

考虑到我国科学家的优势学科和近期有望取得突破性进展的主要研究方向(关联电子材料的物理问题研究,低维纳米功能材料的研究,金属团簇和表界面结构的调控与生长动力学研究,蛋白质大分子结构、生物细胞和医学成像的研究,能源和工程结构相关材料在服役状态下的原位动态研究,量子调控的研究,极端条件下的物质结构研究),重点支持如下的实验方法和新光源研究:

 

(一)同步辐射实验先进技术和新方法

 

1.快时间分辨实验技术

 

(1)秒~微秒量级的时间分辨技术。

(2)纳秒~飞秒量级的时间分辨技术。

 

2.高空间分辨实验技术

 

目前已可以利用微米量级的 X射线光斑对物质的微观结构进行深入地成像观测,最终的观察目标是希望能够清晰看到分子中的每一个原子,因此,需要空间分辨本领达到纳米尺度,使我们能够有效观察物质内部的活动,如反应、场、激发和运动,回答生命、材料、能源和环境等学科中的重要问题。

 

(1)微纳米空间分辨技术。

(2)10nm以下空间分辨技术。

 

3.高能量分辨实验技术

 

(二)同步辐射光源

 

1.建设高亮度光源——自由电子激光光源

2.建设超小光斑光源——衍射极限储存环光源

3.建设高稳定束流光源——能量回收储存环光源

 

需要扶持的薄弱方向

 

(一)多种技术联合的实验技术

 

多种能量波段技术的联用: X射线吸收谱、软 X射线和红外光谱是两种结构信息互补的实验技术,分别从原子能级和分子能级两个不同层次研究物质结构。发展 X射线吸收谱、软 X射线和红外光谱的组合联用技术,原位动态地探索复杂体系的原子结构、电子结构和分子结构的结构信息。

 

多种探测实验方法的联用:发展同步辐射的衍射、吸收、散射和成像等联用技术,使得能够开展对某一种物质的联合探测,原位实时地获得多种实验结果来进行相互比较和印证,提高研究结果的可靠性。

 

(二)同步辐射的关键光学元器件及探测器研制

 

光学元器件是实现同步辐射光束会聚、单色和调控的重要基础之一,探测器是同步辐射实验的重要设备,其性能直接决定实验的效率和质量。随着同步辐射光源的发展,迫切需要发展光学元器件及探测器来发挥同步辐射光源的能力。

 

1.高空间分辨聚焦、单色和反射元器件的技术

2.新型探测器技术

 

18.等离子体物理

 

对磁约束聚变等离子体物理进行研究,进一步发挥 EAST在稳态和 HL-2M在先进偏滤器位形的优势,结合理论和大规模数值模拟的同步发展,在国际聚变界能够引领稳态等离子体物理和技术方向的发展。同时,在磁约束聚变研究领域,积极支持非托卡马克磁约束位形的探索;在惯性约束聚变研究领域,积极支持非中心点火方案的新点火途径。这样,可能会产生原创性的聚变研究途径或方案。在基础等离子体研究领域,鼓励更多高校的参与和充分发挥一批中小型研究平台的科学效益,结合人才培养,为其他等离子体物理研究的可持续发展提供强大的后盾。

 

需要加强的优势方向

 

在磁约束聚变方面,我国两大装置 EAST和 HL-2A/2M的加热和诊断能力已瞄准未来聚变堆等离子体物理关键科学技术问题,有望在约束改善、稳态、高能粒子、射频波物理等方向上做出有国际影响力的成果,并逐步形成一些具有国际竞争力的团队。

 

(1)宏观稳定性和动力学的研究,集中发展定量预测能力和探索新的等离子体运行状态,有可能使我国在稳态高约束等离子体运行模式方面取得重要突破,并在动力学效应和非局域的长程效应的简化流体和动力学混合模型、不同时间尺度过程耦合和非线性过程的理论和实验研究方面取得一批有国际竞争力的成果。

 

(2)微观不稳定性、湍流和输运的研究,需要发展更精确地预测湍流和输运的模型,特别是包含电子动力学和在相空间所有维数上的多尺度湍流 /输运模型,有可能在深入理解约束改善机理上有所突破。

 

(3)边界等离子体物理和控制的研究,重点是寻找降低热和粒子流对材料表面损伤的方式,包括基于原子分子过程的辐射(脱靶)偏滤器以及新概念

 

(如雪花、超级 -X偏滤器)的研究。 EAST长脉冲和 HL-2M位形灵活的优势有可能使我国取得一批国际领先的成果。

 

(4)聚变等离子体中的波 -粒相互作用研究,需要理解复杂条件下波与粒子相互作用及其与其他物理过程的耦合,理解和预防高能粒子引起的不稳定性,并进一步加深对波 -粒相互作用和快离子输运和非线性过程的理解。我国已具有一支优秀的理论和数值模拟团队,磁约束聚变装置上已有的加热系统及其相关的诊断为开展这一方向上的前沿研究提供了难得的条件。

 

(5)磁约束等离子体是一个高度非线性和自组织的复杂体系,不同时空尺度过程间存在相互作用。需要加强对多个方面的物理集成理论模型的发展,为未来聚变堆的设计提供物理基础。

 

在惯性约束聚变方面,积极推动高能量密度等离子体物理的发展。高能量密度物理是惯性约束聚变以及天体物理的基础,国内的研究机构已经具备深入开展高能量密度等离子体物理研究的平台,形成了多个研究团队。针对惯性约束聚变以及天体物理的基本过程开展分解研究,有望做出新的科学发现。

 

基础等离子体已有较好的基础,进一步的发展鼓励以自由探索模式为主,侧重于对新概念、新现象的追求,并为其他领域的持续发展提供强大的后盾。例如,等离子体中多尺度模式之间的非线性相互作用研究,对等离子体物理多个领域的应用都具有关键性的意义。磁重联过程是解释实验室、空间、天体等离子体中很多重要物理现象的关键。该领域的研究工作应与高校中的人才培养紧密配合,作为等离子体学科的整体协同发展。

 

要扶持的薄弱方向

 

低温等离子体源物理与技术是需要优先考虑的研究方向,包括:微加工所需的新型等离子体源物理和技术基础,高气压、大尺度等离子体源物理和技术基础,大功率热等离子体源物理。促进先进等离子体诊断特别是新型高时空分辨诊断技术的发展,推动诊断、理论模型、计算模拟的结合。继续扶持等离子体与材料相互作用基本过程的研究,同时关注等离子体新材料制备技术的基础研究,为发展特殊功能材料的等离子体调控的新机理和新方法提供依据。

 

应促进的前沿方向

 

等离子体是一个高度非线性和自组织的复杂体系,不同时空尺度过程间存在相互作用。作为一个经典的物理学分支,经典的数学工具和计算方法已经难以大规模地推动等离子体物理理论的发展。重点发展现代理论方法和先进数值算法的研究,带动对等离子体非线性和复杂性的更深层次的理解,在等离子体物理基本理论领域找到新的学科增长点。


本文摘编自国家自然科学基金委员会数学物理科学部编国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告》( 责编:侯俊琳  朱萍萍  郭学雯)第四篇第四章,内容有删减,欲知详细内容,请关注图书。


北京众星联恒科技有限公司


国家自然科学基金数理科学“十三五”规划战略研究报告

国家自然科学基金委员会数学物理科学部  编

北京:科学出版社,2016.12

ISBN 978-7-03-051491-2



“十三五”时期是我国全面建成小康社会的关键时期和建设创新型国家的决定性阶段,为科学谋划科学基金的发展,国家自然科学基金委员会于 2014 年 5 月启动了“十三五”规划战略研究工作,这对繁荣基础研究,提升我国原始创新能力和服务创新驱动发展具有重要的战略意义。按照国家自然科学基金委员会战略研究工作方案的部署和要求,数学物理科学部进一步细化了数学物理科学“十三五”规划战略研究,开展了数学物理科学所含数学、力学、天文学和物理学四个学科的“十三五”规划战略研究工作。“十三五”规划战略研究内容包括:学科发展战略、学科优先发展领域、数理科学内部学科交叉优先领域、与其他科学交叉优先领域、实现“十三五”发展战略的政策措施等。


来源:科学出版社


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