物理學熱點前沿及重點熱點前沿解讀

科學研究的世界呈現出蔓延生長、不斷演化的景象。科研管理者和政策制定者需要掌握科研的進展和動態，以有限的資源來支持和推進科學進步。洞察科研動向，尤其是跟蹤新興專業領域將對其工作產生重大的意義。

科睿唯安（Clarivate Analytics）發布了「研究前沿」（Research Fronts）數據和報告。定義一個被稱作研究前沿的專業領域的辦法，源自於科學研究之間存在的某種特定的共性。這種共性可能來自實驗數據，也可能來自研究方法、概念或假設，並反映在科學家在論文中引用其他科學家的工作這個學術行為之中。

通過持續跟蹤全球最重要的科研和學術論文，研究分析論文被引用的模式和聚類，特別是成簇的高被引論文頻繁地共同被引用的情況，可以發現研究前沿。當一簇高被引論文共同被引用的情形達到一定的活躍度和連貫性時，就形成一個研究前沿，而這一簇高被引論文便是組成該研究前沿的「核心論文」。研究前沿的分析數據揭示了不同研究者在探究相關的科學問題時會產生一定的關聯，儘管這些研究人員背景不同或來自不同的學科領域。

總之，研究前沿的分析提供了一個獨特的視角來揭示科學研究的脈絡。研究前沿的分析不依賴於對文獻的人工標引和分類（因為這種方法可能會有標引分類人員判斷的主觀性），而是基於研究人員的相互引用而形成的知識之間和人之間的聯絡。這些研究前沿的數據連續記載了分散的研究領域的發生、匯聚、發展（或者萎縮、消散），以及分化和自組織成更近的研究活動節點。在演進的過程中，每組核心論文的基本情況，如主要的論文、作者、研究機構等，都可以被查明和跟蹤。通過對該研究前沿的施引文獻的分析，可以發現該領域的最新進展和發展方向。

2013 年，Clarivate Analytics發布了《2013 研究前沿——自然科學和社會科學的前 100 個探索領域》白皮書。2014年和2015年，Clarivate Analytics 與中國科學院文獻情報中心成立的「新興技術未來分析聯合研究中心」推出了《2014 研究前沿》和《2015 研究前沿》分析報告，引起了全球廣泛的關注。

2016 年，中國科學院科技戰略諮詢研究院戰略情報研究所，繼續在《2015研究前沿》的基礎上，推出《2016 研究前沿》。報告仍然以文獻計量學中的共被引分析方法為基礎，基於 Clarivate Analytics 的 Essential Science Indicators（ESI）資料庫中的 12 188個研究前沿，遴選出 2016 年自然科學和社會科學的 10個大學科領域排名最前的 100 個熱點前沿和 80 個新興前沿。

物理學

熱點前沿及重點熱點前沿解讀

物理學領域Top10 熱點前沿發展態勢

物理學領域位居Top 10 的熱點前沿主要集中於高能物理、凝聚態物理、理論物理和光學（表1.1 和圖1.1）。在高能物理方面，中微子振蕩和引力波探測依然是2016 年的熱點前沿，暗物質間接探測也備受關注。在凝聚態物理方面，聚焦關聯量子現象的研究，包括二維黑磷材料、外爾半金屬和釔鋇銅氧化物超導體。理論物理方面，自驅動粒子和非線性有質量引力依然是2016 年的熱點前沿，標準模型的研究也持續受到關注。在光學方面，超表面成為熱點。

表1.1 物理學領域Top10 熱點前沿

圖1.1 物理學領域Top10 熱點前沿的施引論文

重點熱點前沿—— 暗物質間接探測之銀河系中心伽馬射線超出研究

暗物質被認為是21 世紀物理學研究最重要的問題之一。儘管天文觀測已證實了暗物質的存在，但暗物質粒子的性質仍然不為人們所了解。目前，暗物質的實驗探測是物理學的研究熱點。暗物質的探測方法有三種：直接探測，間接探測，以及通過加速器創造出暗物質粒子。其中，間接探測主要是探測暗物質自湮滅或衰變的產物，如伽馬射線、中微子、正電子、反質子等。銀河系中心被認為是暗物質最亮的源，是暗物質間接探測最有前景的目標之一。近幾年，對費米伽馬射線太空望遠鏡得到的數據的研究發現，銀河系中心在千秒差距範圍內有伽馬射線超出，目前很有吸引力的一種解釋是這一現象可能來自暗物質粒子湮滅。

在這個熱點前沿中， 美國表現最活躍，是核心論文的主要產出國家（表1.2）。49 篇核心論文中，美國參與的有33 篇，占核心論文總量的67.3%，遠遠超過其他國家。法國、荷蘭、印度和中國等也有不錯的表現。核心論文產出最多的機構是費米國家加速器實驗室和芝加哥大學，產出機構中來自美國的有5 所，荷蘭、中國、英國、義大利各有1 所。49篇核心論文的通訊作者中，有25 位來自美國，其後是印度，有4 位，中國和荷蘭各有3 位。

表1.2 「暗物質間接探測之銀河系中心伽馬射線超出研究」研究前沿中核心論文的Top 產出國家和機構

表1.3 「暗物質間接探測之銀河系中心伽馬射線超出研究」研究前沿中施引論文的Top 產出國家和機構

分析熱點前沿施引論文的國家和機構（表1.3），可以發現，美國也是最活躍的國家，參與的施引論文有230 篇，占施引論文總量的54.5%。其後是德國，參與了64 篇施引論文，占施引論文總量的15.2%；法國、中國和義大利緊隨其後。施引論文總量排名Top 10 的機構中，費米國家加速器實驗室和芝加哥大學的施引論文最多，分別為67 篇和57 篇，占施引論文總量的15.9% 和13.5%，隨後是義大利國家核物理研究所、加利福尼亞大學聖克魯茲分校和中國科學院。

重點熱點前沿——單層/ 多層黑磷的特性及其應用

近年來，類石墨烯二維材料，如二硫化鉬等過渡金屬硫化物、硅烯等，由於其獨特的微觀結構和物理特性，成為了研究的熱點。然而，目前研究的大部分二維材料都存在一定的缺點。2014 年，中國科學技術大學的陳仙輝團隊和復旦大學的張遠波團隊等製備出基於二維黑磷單晶的場效應晶體管。兩周後，美國普渡大學的Peide Ye 團隊也製備出二維黑磷場效應晶體管。二維黑磷材料兼具石墨烯和過渡金屬硫化物的優點，其出現引起了全世界的廣泛關注，成為繼石墨烯和過渡金屬硫化物後又一個未來納米電子應用的候選者。黑磷的特性研究是《2015 研究前沿》的新興前沿之一，2016 年，「單層/ 多層黑磷的特性及其應用」進一步成為熱點前沿。

在25 篇核心論文中，被引頻次最高的是上述中國團隊的論文，為466 次。其後是同期美國團隊的論文，被引頻次為406 次。這兩篇核心論文的被引頻次遠高於其他核心論文。從國家來看（表1.4），美國是該前沿最活躍的國家，參與的核心論文有17 篇，占核心論文總量的68.0%，緊隨其後的是中國和荷蘭。

表1.4 「單層/ 多層黑磷的特性及其應用」研究前沿中核心論文的Top 產出國家和機構

表1.5 「單層/ 多層黑磷的特性及其應用」研究前沿中施引論文的Top 產出國家和機構

分析施引論文的國家和機構（表1.5），可以發現，中國是最活躍的國家，參與的施引論文有283 篇，占施引論文總量的43.6%。其後是美國，參與的施引論文有238 篇，占施引論文總量的36.7%。隨後是新加坡，參與了78 篇施引論文，占施引論文總量的12.0%。施引論文總量排名前10 的機構均來自這3 個國家，其中，中國科學院的施引論文最多，為64篇，占施引論文總量的9.9%。其後是新加坡國立大學、中國科學技術大學和新加坡南洋理工大學。

新興前沿及重點新興前沿解讀

新興前沿概述

物理學領域有10 項研究入選新興前沿，主要集中於高能物理、凝聚態物理和理論物理（表1.6）。高能物理方面包括高級激光干涉引力波天文台和宇宙暴脹模型的相關研究，凝聚態物理方面關注的是過渡金屬硫化物、硒化鐵超導體和分數陳絕緣體的特性研究，理論物理方面包括引力理論、周期驅動量子體系、超弦理論等研究。

表1.6 物理學領域的10 個新興前沿

重點新興前沿——分數陳絕緣體的實驗實現

從20 世紀80 年代被發現到獲諾貝爾物理學獎，直到現在，分數量子霍爾效應都是凝聚態物理的前沿研究領域之一。分數量子霍爾效應的實現需要非常強的磁場和極低溫，這限制了它的應用。近年來，理論研究發現，在無外加磁場的條件下，可以在拓撲平帶中實現分數量子霍爾效應。這種無外加磁場時出現的分數量子霍爾效應，被稱為分數量子反常霍爾效應，能實現這種現象的體系被稱為分數陳絕緣體。分數陳絕緣體有可能在未來的拓撲量子計算中得到應用。最近，不少研究工作聚焦於分數陳絕緣體的實驗實現。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Tilman Esslinger 團隊在周期性調製的二維蜂窩光晶格中應用超冷原子實驗實現了霍爾丹模型，德國慕尼黑大學的Immanuel Bloch 團隊等在二維光學超晶格中應用超冷原子實驗實現了霍夫施塔特模型，這兩項工作都有助於分數陳絕緣體的實驗實現，引起了廣泛的關注。

本文摘編自由中國科學院科技戰略諮詢研究院、中國科學院文獻情報中心、英國科睿唯安著《2016研究前沿及分析解讀》第1、2章，內容有刪減。

（本期編輯：安靜）

2016研究前沿及分析解讀

中國科學院科技戰略諮詢研究院、中國科學院文獻情報中心、英國科睿唯安 著

北京：科學出版社 2017.03

ISBN 978-7-03-052209-2

《2016研究前沿及分析解讀》以文獻計量學中的共被引分析方法為基礎，基於科睿唯安的Essential Science Indica-tors(ESI) 資料庫中的12188個研究前沿，首先，遙選出2016年自然科學和社會科學的10個大學科領域排名最前的100個熱點前沿和80個新興前沿，重點選擇一些研究前沿進行詳細統計分析和解讀；其次，以高度概括的視角對美國、英國、德國、法國、中國和日本六國在180個前沿的基礎貢獻水平和潛在發展水平進行評估描述；最後，在10個領域分別展開中國和美國在100個熱點前沿和80個新興前沿參與情況的比較分析，以期較為全面地掌握中國與美國這一科技強國的差距與優勢。

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