原子与分子物理学科调研报告
日期 2005-01-24 来源：情况交流 作者：数理科学部 倪培根 张守著 汲培文 【 大 中 小】 【 打印】 【 关闭】
编者按：2004年是国家自然科学基金委员会的政策调研年，根据党组要求，数理科学部安排物理科学一处倪培根同志对原子与分子物理学科研究领域进行了深入调研。倪培根同志对7个科研单位了解情况，分别从原子与分子学科的特点、发展及研究现状进行分析，提出了原子与分子学科研究所面临的问题，并针对具体问题阐述了解决问题的方法及原子与分子物理学科今后应关注的研究领域。
在过去的一年中，各单位都按照党组要求部署开展了调查研究工作并撰写了有关报告，我们希望大家以《情况交流》为平台，进行交流与探讨。
原子与分子物理学科调研报告
为了了解我国原子与分子物理的研究现状、研究队伍情况，更好地开展原子与分子物理研究领域的基金工作，我于2004年10月14～15日和11月8日先后走访了吉林大学原子与分子物理研究所及中国科学院武汉物理与数学研究所，同时对清华大学原子分子纳米科学教育部重点实验室原子分子物理部分、四川大学原子与分子物理研究所、中国科技大学原子分子物理实验室、山东师范大学原子与分子物理实验室、西北师范大学原子与分子物理研究所进行了书面调查，了解有关情况。根据获得的有关信息并结合自己的认识和想法将调研情况做如下汇报。
一、原子与分子物理学的重要性及特点
原子与分子物理学是研究原子分子结构、性质、相互作用、运动规律及其与周围环境相互作用的一门科学。原子与分子是组成物质的基本结构单元，它的发展对物质科学的研究尤为重要。原子与分子物理的不断深入研究，直接或间接导致了电子学和电子产业、光电子学和激光产业等现代产业的诞生和发展。近几年来，随着科学技术的发展，特别是近场技术和飞秒技术的飞速发展，人们认识微观物质世界的能力得到空前的提高，许多新仪器设备相继诞生。原子力显微镜、扫描隧道显微镜的发明使人们的空间分辨水平提高到原子量级，这些先进的仪器设备将人们带入了奇妙的原子世界，对单原子的操控已经成为现实。利用超快技术实现高精度时间分辨，可以研究原子分子的相对论效应，许多以前观测不到的现象现在已经进入人们的视野。原子与分子物理学还在化学、材料、信息和生命等领域扮演重要角色，成为许多科学研究领域的基础。在原子与分子的层次上研究物质的性质、化学反应的机理、新材料的制备及表征、量子信息技术、生命活动已成为科研趋势和热点。材料、化学、凝聚态、光学等研究领域对具有原子与分子研究基础背景的人才需求加大，原子与分子在自身发展的同时还担负着为其他研究领域培养人才的重担。
原子与分子物理是一门基础学科，是许多研究领域的基础，它具有如下显著特点：1）基础性、交叉性强，应用范围和渗透面广，涉及化学、材料、信息、生命、凝聚态、天文、光学等研究领域；2）与国家重大需求结合紧密，在核能、保密通讯、频标等方面有重要用途；3）与国家的大科学装置有密切关系，随着冷原子及BEC的实现、高性能计算机的发展、同步辐射光源及EBIT的建立、大型加速器等设备的发展，原子与分子领域的研究正在经历第二次发展高潮。
我国的原子与分子研究具有以下特点：1）起步较早，但长期处于比较薄弱的状态，发展缓慢，在国际上有影响的工作较少；2) 理论研究偏多，实验研究较少，实验基础较差，实验仪器设备相对落后。原子与分子领域的许多研究设备及仪器不能购买到现成产品，只能靠自己改造或搭建。在有些国家的申请代码中，原子与分子物理学科中有专门资助原子与分子实验设备和仪器研制的一项，我们国家这方面还需加强；3）研究领域较分散，研究队伍相比其它学科略显薄弱。由于国内研究条件差，资金短缺，从国外引进人才的难度较大，国内培养的许多学生转向其他研究领域，造成人才流失。更重要的是目前的研究队伍中还缺乏能够树立旗帜的将帅之才；4）国家整体投入较少，科研经费主要靠国家自然科学基金支持。
二、原子与分子物理学科在我国的发展
国内开展了许多原子与分子物理学相关的研究工作，如：电子与原子分子散射理论、磁共振、多通道量子亏损理论、高精度计算及超精细结构研究、激光等离子体理论研究等。最初原子与分子的研究大多数集中在理论方面，随着研究经验的积累和仪器设备的建立，科研工作者开始研究高离化态、内壳层电子激发态、原子频标、原子分子在强电、磁场或强激光场中的行为、原子分子的电离解离和有关光谱实验、囚禁离子特性和光谱、原子分子团簇、原子分子与固体表面碰撞以及聚变等离子体等方面的研究。同时还积极开展与其他研究领域的交叉。随着国际上原子与分子物理研究第二次发展高峰的到来，国内原子与分子研究也进入一个新的发展阶段。
三、原子与分子物理学的研究现状
国际原子与分子物理学研究状况
目前国际上原子与分子物理学正处于新的发展高峰时期。由于计算机、激光、同步辐射、束技术和检测技术的发展为原子分子物理学的深入发展提供了有力的研究工具。当今世界围绕着能源、材料、环境、信息、生命以及国家安全等方面的竞争日趋激烈，需要大量新数据新概念新构思，而原子与分子物理学作为以上各项研究的基础，其作用也日益突出。目前国际上主要的研究领域有以下几个方面：1) 离子、原子、分子的囚禁、冷却、操控、及在相关条件下的应用和一些精密测量，如能级的高精度测量、BEC的实现及其应用、原子激光、离子阱频标技术和新方案等。2) 量子计算、量子信息。实验室里相继在离子阱中的离子、光腔中的原子、核磁共振中的核自旋等体系中演示了基本量子逻辑门操作，推进了量子计算机的研究。量子力学中的非局域性、态的纠缠等特性在量子信息的研究中得到进一步的应用。3) 极端条件下的原子分子物理研究。主要包括在外加强电场、强磁场、强光场、高温、高压等条件下的原子分子结构及其动力学行为的研究。4) 基于目前一些新环境下的原子、分子与团簇的结构与碰撞动力学研究。如冷原子分子之间的碰撞，分子、分子离子、团簇的结构与光谱，分子与电子的碰撞等。5) 高离化态原子的碰撞及其与电子、光子等的相互作用。6) 与生命、化学、材料、信息等方面的交叉，进行机理及其应用方面的研究。
国内原子与分子物理学研究现状
国内原子与分子物理学研究起步较早，但是发展速度相对缓慢。主要有包括国家重点实验室和部门开放实验室在内的50多个研究团体。拥有了一些重要的实验设备，如各类激光器及光谱探测设备、计算机服务器、核磁共振波谱仪、质谱仪、离子阱、交叉束装置、电子能谱仪、低能加速器等，同时EBIT、同步辐射和重离子加速器的建成为原子分子物理学研究提供了有效的新手段。
另外，中国科学院兰州近代物理研究所主要是结合高能离子加速器在重离子碰撞方面开展原子与分子物理的研究。复旦大学利用即将建好的EBIT开展高温稠密等离子体方面的理论和实验研究，同时还有部分人开展冷原子、量子信息存储、电子与离子碰撞方面的研究。北京计算数学与应用物理研究所主要开展的工作有：光子同电子、离子相互作用过程，高温高密度等离子体物理，热稠密环境下的原子离子结构等。大连化学物理研究所在原子与分子领域主要开展一些分子反应动力学、激光选键选态化学动力学方面的研究等。国防科技大学在原子与分子结构及碰撞，高温、强场、稠密对原子与分子性质的影响等方面开展了一些研究。山东大学主要开展了分子反应动力学及光与原子分子相互作用的研究。
目前国内部分原子与分子物理学研究单位的基本情况详见如下附表：
研究单位
目前的研究领域
今后拟开展的新研究领域
研究队伍状况
吉林大学原子与分子物理研究所
激发态原子分子和团簇动力学；强激光场中原子分子性质；原子分子结构与电子碰撞；原子分子计算物理方法；生命大分子的结构、状态和相互作用物性。
飞秒激光与原子分子相互作用；强光场中的原子分子与电子碰撞问题；极端条件下的原子分子状态；材料的激光烧蚀、THz电磁波的产生及原子分子的THz光谱等。
教授6人，副教授1人，具有博士学位的中级人员3人，其中博导6人。在读博士生11人，硕士生53人。
中国科学院武汉物理与数学研究所
冷原子物理，主要包括弱光非线性效应及量子相干、混沌和量子信息；离子囚禁及其物性研究，主要包括冷却离子的量子特性，高离化态和团簇离子、频标原理和精密光谱；原子分子的强外场效应，主要包括电、磁平行和交叉场中的原子谱特性、强场问题的处理方法；分子精密光谱，主要包括分子结构、特性和分子反应动力学；激光雷达与激光信标；核磁共振研究。
单离子囚禁及其物性研究；BEC实现及其相关研究；生命与空间过程中的分子谱研究等。
研究员12人，副研究员14人，具有博士学位中级人员2人，其中博导人数14人。在读博士生46人，硕士生39人。
清华大学原子分子纳米科学教育部重点实验室
原子分子团簇理论研究；分子激发振动态及拉曼光谱学；原子分子激发态动力学及相干控制；小分子的光解和光电离实验研究；单分子探测及应用；分子雷达及生物光子学。
教授8人，副教授2人，具有博士学位中级人员1人，其中博导6人。在读博士生19人，硕士生18人。
四川大学原子与分子物理研究所
高温高压下的原子与分子物理；原子与分子物理的理论和应用研究；纳米物理与新材料的原子分子设计与高压合成试验；团簇物理及固体中的原子碰撞；生物凝聚态的原子与分子物理基础研究；材料的微观结构和性质。
教授6人，副教授6人，具有博士学位中级人员1人，博导7人。在读博士生21人，硕士生113人。
山东师范大学原子分子实验室
原子分子团簇和低维体系性质，强场中的原子动力学，激光与物质相互作用，分子反应动力学。
教授5人，副教授5人，具有博士学位的中级人员1人，其中博导4人。在读博士生10人，在读硕士生36人。
西北师范大学原子分子物理研究所
原子结构与碰撞，分子结构及分子光谱，原子分子与激光的相互作用，激光等离子体光谱等。
教授5人，副教授1人，其中博导2人。在读博士生2人，在读硕士生13人。
四、国内原子与分子物理学研究的特色、面临的问题及对问题的一些认识
特色
吉林大学原子与分子物理研究所长期从事原子与分子物理的研究，历史悠久，具有较好的基础。国内有很多从事原子与分子研究的科研人员都是由吉林大学培养的。该研究所具有一批相关实验研究设备，如包括飞秒激光器在内的多种激光器、质谱能谱仪、高时间分辨CCD、计算机服务器（正在购进）等，能够结合理论计算进行一些实验研究。武汉物理研究所具有较好实验设备，能发挥自身优势，注重物理与数学、化学的交叉，基础研究和应用结合较紧密。如在原子频标、核磁共振、激光雷达、原子滤波器的研究方面具有很强的应用背景。具有一支年轻的科研队伍。清华大学开展了与生命科学交叉项目的研究，进行大分子探测和分子雷达方面的工作。中国科技大学在国家自然科学基金重点项目的资助下，在电子动量谱仪方面取得较好成果。兰州近代物理研究所和复旦大学依托大装置EBIT和重粒子加速器，可望能在高温稠密等离子体和重粒子碰撞方面做出优秀成果。
存在问题
国内原子与分子物理学研究领域的发展还面临着许多问题，主要表现为：
1）科研队伍老龄化。随着老一辈原子分子物理领域内的科研人员退休，研究队伍老龄化的趋势日益显现出来。该领域缺乏中青年骨干人员，人才出现断层。分析出现的原因，受国内凝聚态物理、光学等热门学科的冲击，加上国家对原子与分子物理学研究投入不足，原子与分子物理研究成为一个冷门，原子与分子物理研究硕士点培养的大部分硕士生在考取博士时选择了其他专业。原子与分子物理研究领域引进海外高级人才困难，自己培养的人才流失到其他研究领域。为了缓解这一状况，对该领域的科学基金资助应更注重对青年人才的支持和培养，提高青年科学基金的资助率。
2）仪器设备相对落后。国外原子与分子物理研究的发展非常迅速，这部分得益于他们具有先进的仪器设备。原子与分子物理研究除了依托于一些大的平台以外，还要自己改造和研制一些仪器设备。虽然国家自然科学基金委员会设立了仪器专项，但是由于原子与分子物理研究领域发展较为迟缓，所以很难跟其他热门领域的项目竞争。在原子与分子物理学科内设立仪器改造和研制专项可能会改善目前状况。
3）研究内容较为分散。目前国内研究创新性内容较少，重复性、跟踪性研究内容较多。研究队伍较为分散，共有约500人的研究队伍（包括高级职称和具有博士学位中级职称人数），分布在大约50个研究单位，有些单位只有少数几个人。研究内容分散，从较为古老的碰撞、能级问题到较为先进的冷原子、高离化态等。
4）资金投入不足。原子与分子物理学作为基础性很强的学科，其基础研究除了国家自然科学基金委员会资助外，其他部门支持较少。研究队伍不断萎缩，人才流失较为严重，而资金投入制约了原子与分子物理研究领域的发展。
5）缺乏交流与合作。原子与分子物理研究领域与其他研究领域相比，国际交流合作和国内交流合作较少，这也影响了人才培养、引进及技术交流。加强交流与合作发挥其桥梁、纽带作用，应当会极大的促进原子与分子物理研究领域的发展。
上面存在的几个问题如果不能得到妥善解决，将会制约原子与分子物理研究的发展。通过调研和对问题的仔细分析，我认为要妥善解决上述存在的问题，应注意从以下几个方面着手：加大资助投入是基础，稳定和吸引优秀人才是关键，重视研究仪器的改造和研制是动力，增强合作交流是纽带。
数理科学部连续两年对原子与分子物理研究领域给予了重点扶持，科研人员感觉到国家自然科学基金委员会对该领域非常重视和关注，提高了科研人员的研究热情，起到了较好效果。但是，原子与分子物理研究的发展和提高是一个长期的、持久的、艰难的过程，急需数理科学部继续对原子与分子物理研究给予支持，适当给予一定的倾斜，提高原子与分子物理学科项目的资助率。同时，对原子与分子物理研究选取一两个重点单位或方向给予扶持，在国内树立一面旗帜，有效缓解目前研究内容较为分散的局面。相信经过几年的发展，会吸引更多的人才留在或加入到原子与分子物理研究领域中来，可以尽快完成人才回拢。通过进一步集中对原子与分子物理研究领域的某些亮点给予重点支持，进一步提升我国原子与分子物理研究水平，提高国际竞争力。
五、原子与分子物理学应关注的研究领域
基于对当前形势的了解和国内外发展现状的分析，总结过去发展的经验，我认为今后原子与分子物理研究的发展应重点关注以下研究领域：1）原子分子高分辨激发态结构和动力学过程的实验研究；2）原子分子团簇结构及碰撞动力学；3）特殊外界条件下(包括：温度、压强、电磁场等)的原子分子结构状态和动力学过程的研究；4）状态下（冷原子、离子、分子，高离化态）原子分子的物理及其应用研究，如囚禁离子激发态结构的精密测量；原子分子的相干量子态的制备、操纵和测量等；5）量子信息、量子计算研究；6）原子分子领域的新技术和新设备的研制。
在研究中，还应注重发挥原子与分子物理基础性强的学科优势，注重交叉，在交叉中开拓新的研究领域：1) 与生物交叉：在单分子水平上研究大分子体系，复杂体系、生命体系的结构及相互作用，研究药物与细胞、抗原与抗体等的相互作用等。2) 与信息交叉：如在量子频标，量子计算、量子信息等方面的研究。3) 与材料交叉：借助当前计算能力的大大提高，从原子与分子层次上设计新的材料，研究材料的特性，如强关联系统；实验上采取自下而上的制备技术制备纳米材料等。4) 与化学交叉：研究化学反应过程中态-态反应动力学。
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