專題導讀 | 應用物理專題

應用物理是運用物理學原理解決科學、工程及技術問題的一個學科。應用物理的研究貫穿于物理學發展的整個歷程。早期的物理研究與生產和生活中的實際問題緊密相連。例如，經典力學的發展雖然源自于物理學家對自然規律的深刻探究，但也與航海、軍事和天文觀測等實際需求的推動密不可分。到了19世紀，科技體系變得更加復雜，許多物理學家開始專注于以發現新自然規律為目標的純粹物理，但這些研究與應用物理依然有著密切互動。例如，提升蒸汽機效率的研究直接推動了熱力學的形成；電磁學的研究為第二次工業革命奠定了基礎；熱機和照明技術等工業需求推動了黑體輻射的研究，進而揭示了經典物理的局限性。20世紀是物理學的黃金世紀，不僅引領了以量子力學和相對論為代表的科學革命，同時在應用物理領域也取得了驚人的成就，摧生了原子彈、雷達、晶體管、激光、核磁共振成像等眾多變革性技術。這一時期，基礎研究的規模不斷擴大，自由探索的重要性也得到了廣泛認同；政府直接資助并以“應用物理”命名的研究機構相繼出現，如1942年在美國約翰·霍普金斯大學成立的應用物理實驗室，以及1950年重組后成立的中國科學院應用物理研究所。

中國科學院應用物理研究所(1950—1958)物理樓，位于北京東皇城根

改革開放以來，我國綜合國力飛速提升，科研條件大幅改善，物理基礎研究迅速與國際接軌，研究力量不斷擴充，取得了許多令國際同行矚目的研究成果。然而，在發展過程中也出現了一些新問題。中國科學院院長侯建國曾指出：“部分科研人員跟風逐熱、各自為戰，難以潛心致研、協同攻關，不利于原始創新和組織實施重大科技任務”。習近平總書記在2021年兩院院士大會上要求：“基礎研究更要應用牽引、突破瓶頸，從經濟社會發展和國家安全面臨的實際問題中凝練科學問題，弄通‘卡脖子’技術的基礎理論和技術原理。”近期，諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek撰文，呼吁物理學界要向數學家馮?諾依曼學習，重視基礎物理研究與實際相結合的傳統。他稱贊馮?諾依曼利用其數學天賦，成為博弈論和計算機科學的先驅，從而在純科學與實用技術領域都留下了巨大的科學遺產。

四年前，筆者曾在溧陽長三角物理研究中心組織過一次“21世紀的應用物理學”戰略研討會，楊國楨、陳立泉、方忠、常凱、姚裕貴、王東進、趙元富等30余名來自產學研各界的學者深入探討了我國應用物理的發展策略，大家普遍的感受是，應用物理研究在當下需要大力推進，但除科研生態仍有待完善等問題外，還面臨其他諸多挑戰。其一，傳統的應用物理內涵，即所謂“物理的應用”，范圍過寬，其內容與大學工科院系及工業界研究機構的布局重疊甚多；其二，應用物理與基礎物理的邊界也比較模糊，如何處理基礎和應用研究之間的關系需要慎重把握，不能因強調應用而減弱對原創性的追求；其三，許多從事基礎研究的同行對實際應用需求了解不多，缺乏與產業界研發人員進行有效溝通的渠道，難以針對真正的應用痛點提出關鍵科學問題。

盡管存在上述困難，但面對當前復雜多變、科技競爭愈演愈烈的國際環境，廣大物理同行要肩負起時代的責任，敢于離開自己的“舒適區”，發揮自己的特長，從應用需求中凝練出重要的科學問題，多做產業界不愿做、做不了或做不好的挑戰性、基礎性物理問題；同時在把握好科學前沿的基礎上，積極發展原創性、變革性技術。

《物理》特推出“應用物理專題”，用研究綜述的形式介紹應用物理領域的前沿進展，一方面可為物理工作者提供典型的應用物理研究范例，另一方面也可為從事工程應用領域的研發人員介紹具有應用潛力的科學前沿。此外，還希望通過通俗易懂的文章吸引更多的青年學者從事應用物理研究。

中國科學院物理研究所團隊和合作者近期研制的基于Yb三角晶格阻挫磁性材料的小型固態制冷器件，可實現30 mK以下的極低溫物性測試

本期“應用物理專題”的三篇文章各具特色，體現了應用物理研究模式的多樣性。中國科學院物理研究所孫培杰等的文章介紹了低溫固態制冷的前沿，展示了自旋超固態等量子材料領域的基礎性突破有望帶來顛覆性的極低溫制冷技術。北京航空航天大學王璐丁等的文章綜述了自旋存儲技術的前沿進展，這個領域的特點是部分技術已經產生了巨大的商業應用，相關的基礎研究和應用研究長期緊密結合，互相促進，相得益彰。第三篇文章來自于中國科學院理化技術研究所和中國電子科技集團公司第四十八研究所的周正榮等。這個團隊長期從事低溫工程材料研究，在文中介紹了幾種典型的低溫材料及其在航天、儲能和醫療等領域的應用，從工程應用角度揭示了低溫物理研究的重要性。

北京航空航天大學自旋芯片與技術全國重點實驗室近期成功研制的新一代MRAM芯片

希望越來越多的物理同行能為“應用物理專題”貢獻自己的力量。相信在大家的共同努力下，這個專題能夠成為一座聯系物理學和工程應用的橋梁，成為科學家和工程師產生創新思維火花的一個源泉，成為推進中國應用物理研究和教育的一個助推器。

(中國科學院物理研究所 應用物理中心 李永慶 供稿)

本文選自《物理》2025年第12期

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