第一卷 物理學
第一章 概況
物理學的任務，是通過觀察與實驗，理論概括與預見，來揭示自然界中物質的結構及其相互作用，運動的普遍形式及它們之間互相轉化的規律；研究各種各樣物理現象的形成機製，並在開發各種物理現象的可能應用中進一步研究新出現的物理問題。
自然界中的物質有不同層次的結構，如基本粒子的結構層次、原子核的結構層次、原子和分子的結構層次以及凝聚態的結構層次等，因而也就存在著不同層次的物理問題。基本粒子與原子核層次中的物理問題分別屬於基本粒子物理學與原子核物理學範圍，將放在本編介紹。本章所闡述的物理學僅包括原子分子層次和凝聚態層次中的物理問題，內容包括理論物理、凝聚態物理、基礎光學、原子分子物理、波譜學、聲學和實驗物理電子學等7個分支。物理學發展的曆史表明，這些物理學分支中的發現總是不斷推動著其他科學與技術的發展。例如，顯微鏡和望遠鏡的發明，加速了生物學和天文學的發展；基礎光學中發現的光譜規律已成為天體物理以及分析材料組分的重要方法；十九世紀三十年代法拉第發現的電磁感應現象，揭開了全世界電氣化的序幕；麥克斯韋的電磁波理論預言和稍後赫茲的電磁波實驗，為後來的無線電通訊和雷達技術打下了基礎；原子分子與固體物理研究的進展，為激光的發現和應用創造了條件（激光的出現則又大大豐富了近代基礎光學的研究內容）；作為凝聚態物理的一個重要組成部分的半導體物理，它的發展為今天大規模集成電路和近代計算機技術奠定了科學基礎。所以可以毫不誇張地說，物理學是許多其他科學與新技術得以發展的極為重要的支柱。
中國科學院的物理學研究始於一九四九年以前的中央研究院物理研究所和北平研究院物理研究所。當時，中國的少數科研人員在極其困難的條件下，即在光譜學和凝聚態物理學中的晶體學、磁學和金屬物理學等幾個領域內，堅持了部分研究工作：光譜學方麵有嚴濟慈和錢臨照，晶體學方麵有陸學善，磁學方麵有施汝為和潘孝碩，金屬物理方麵有葛庭燧和錢臨照。他們的研究工作，對於一九四九年以後中國科學院各相應學科研究機構的建立、研究隊伍中年輕一代的培養以及在全國範圍凝聚態物理與光學研究的發展，都起到了一定程度的奠基作用。在聲學研究方麵，雖然中國古代曾有過出色的成就，但近代聲學的研究，在中華人民共和國成立以前卻是非常落後的。研究力量極為薄弱，也沒有形成研究隊伍，僅有馬大猷等少數科學家在聲學的個別領域從事研究工作。至於物理學領域內的原子分子物理、波譜學、理論物理以及凝聚態物理中除了晶體學和磁學以外的所有其他分支，在一九四九年以前則基本上沒有研究。
新中國建立以後不久，中國科學院成立。原中央研究院物理研究所和原北平研究院物理研究所合並，經過調整，再組建為以核物理和粒子物理為主要研究方向的中國科學院近代物理研究所〔簡稱近代物理所（北京）〕和以固體物理、光譜學為主要研究方向的中國科學院應用物理研究所（簡稱應用物理所，即目前設置在北京的中國科學院物理研究所的前身）。應用物理所建所初期，先後由嚴濟慈、施汝為任所長，陸學善任副所長、代所長，全所分設光譜學、磁學、晶體學和電學4個研究組。一九五一年，洪朝生回國，在他的領導下，應用物理所開始了低溫研究工作，並成立了中國最早的低溫研究組。這是中國科學院凝聚態物理研究機構的雛形。一九五六年，中國製定了十二年科學技術發展遠景規劃。此後，應用物理所的研究組織有了很大的發展，除原有電學研究組改為半導體研究室外，還相繼增加了固體發光、電解質物理、高壓物理、晶體生長等新的研究領域。其中，半導體研究室與固體發光研究室於六十年代前期先後獨立，分別另組為研究所。與此同時，在上海還成立了以紅外科學為主要研究方向的中國科學院上海技術物理研究所（簡稱上海技術物理所）。一九七七年，中國科學院召開新學科規劃會議，製定了新學科發展規劃。該規劃把表麵物理、非晶態物理、固體缺陷、相變和高臨界溫度超導體確定為凝聚態物理的發展重點。根據規劃精神，一方麵在中國科學院物理研究所（簡稱物理所），組建了表麵物理、高臨界溫度超導體和非晶態方麵的研究室或研究組；另一方麵在合肥，又籌建了一個新的中國科學院固體物理研究所（簡稱固體物理所）。經過三十多年來的努力，中國科學院的凝聚態物理研究已經發展到具有相當規模：在研究機構方麵，已經有了1個綜合性的凝聚態物理研究所（即物理所）和5個專業性物理研究所（即中國科學院半導體研究所，簡稱半導體所；中國科學院長春物理研究所，簡稱長春物理所；上海技術物理所；固體物理所；中國科學院新疆物理研究所，簡稱新疆物理所）；在學科內容方麵，已經發展成為包括有13個分支的大學科。
中國科學院的基礎光學研究，是在北平研究院物理研究所的傳統光學研究基礎上發展起來的。中國科學院成立以後，先在應用物理所，以趙廣增和張誌三為首建立了包括原子光譜分析、紅外吸收光譜、喇曼光譜等實驗研究的光譜學研究組（後擴大為研究室）。六十年代初期激光現象發現以後，以它的相幹性和非線性為特征的激光光譜學、非線性光學、全息學的研究接替了傳統的光譜學，在物理所、中國科學院大連化學物理研究所（簡稱大連化物所）、中國科學院上海精密光學機械研究所（簡稱上海光機所）等單位都開展了這方麵的研究工作。
原子分子物理是研究有關原子分子的結構、原子分子的碰撞過程以及它們與光子相互作用規律的學科，它是中國科學院物理學科中較晚發展起來的一個分支。五十年代，彭桓武關於雙粒子鍵問題的理論研究是此領域的早期工作。七十年代後期，物理所李家明領導的研究組，結合等離子體物理研究，利用多通道量子虧損理論，研究了電子與類鋰離子的碰撞激發截麵、與探索重離子的高激發能級有關的碰撞與能譜的關係和雙電子複合逆過程。他們在離化原子射線組的位移規律方麵的理論研究取得了與國外的實驗十分一致的結果。在實驗研究方麵，在七十年代，物理所即開始用強激光研究多原子分子的紅外多光子激發和多原子分子的離解問題。中國科學院武漢物理研究所（簡稱武漢物理所）也利用激光光譜技術研究過原子分子的結構。
波譜學的研究任務是利用微波和射頻在物質（原子、分子或凝聚態）中引起的共振以揭示物質中的運動、行為和結構。中國科學院的波譜學研究始於五十年代後期，三十多年來，已在核磁共振、順磁共振、核電四極矩共振和量子頻標時標等方麵打下一定的基礎。核磁共振具有高精確度的分析本領，它已滲透到固體、生物分子、化學結構、藥物分析以及醫療診斷等領域。中國科學院在這些領域中的核磁共振研究工作，早在五十年代後期就在中國科學院長春應用化學研究所（簡稱長春應化所）開始進行。七十年代以後，中國科學院福建物質結構研究所（簡稱福建物質結構所）、物理所、大連化物所、中國科學院化學研究所（簡稱化學所）、中國科學院上海有機化學研究所（簡稱上海有機化學所）、中國科學院成都有機化學研究所（簡稱成都有機化學所）以及武漢物理所又分別在相應領域開展了核磁共振研究工作。與此同時，福建物質結構所、上海光機所、物理所、中國科學院地球化學研究所（簡稱地球化學所）、中國科學院生物物理研究所（簡稱生物物理所）和長春物理所還在相應領域開展了順磁共振研究工作。核電四極矩共振和量子頻標時標的研究則集中在武漢物理所。該所自六十年代起，在王天眷的領導下，實際上已經成為中國科學院波譜學研究比較集中的單位。該所研製的氫鍾和銣鍾達到了國際水平。
關於統計物理、凝聚態理論、原子分子理論的研究，是物理學中的一個極為重要的組成部分。一九四九年以前，在中國的理論物理領域，較之當時中國物理學的其他分支，曾有過比較出色的理論物理學家，但是，在當時的社會條件下，他們無法形成一個理論物理研究陣容。這些科研人員，對於一九四九年以後的理論物理學的成長，起了奠基的作用。一九五九年，中國科學院在物理所成立了固體理論研究室和磁學理論研究組；稍後，又相繼在半導體所、中國科學院金屬研究所（簡稱金屬所）、福建物質結構所、武漢物理所、長春物理所等單位各自建立了與該研究所研究方向相應的理論物理研究室。一九七七年，在全國自然科學基礎學科規劃會議期間，許多理論物理學家倡議建立理論物理研究所，並於一九七八年得到國務院批準。從此，中國科學院便有了一個專門以理論物理為研究方向的中國科學院理論物理研究所（簡稱理論物理所）。中國科學院現在已經有了一支較強的理論物理研究隊伍，他們分別在統計物理、原子分子物理、多體問題、固體能譜、超導和磁性理論、金屬、半導體、離子晶體、非線性光學晶體等領域完成了大量的理論研究工作。
中國的聲學研究是在中華人民共和國成立以後發展起來的。五十年代初期，中國科學院長春光學精密機械研究所（簡稱長春光機所）開始進行超聲的應用研究。不久，在馬大猷的主持下，在物理所籌建了聲學研究室。一九五六年中國製訂十二年科學技術發展遠景規劃以後，又正式成立聲學研究室，劃歸中國科學院電子學研究所（簡稱電子學所）領導。一九六四年，正式組建中國科學院聲學研究所（簡稱聲學所）。"文化大革命"中，聲學所被拆散，到一九七九年又重建，由汪德昭任所長。中國科學院的聲學研究主要集中在水聲學、超聲學和空氣聲學3個方麵，研究力量以聲學所為主體，同時還包括了武漢物理研究所（以下簡稱武漢物理所）、中國科學院心理研究所（簡稱心理所）、中國科學院上海生理研究所（簡稱上海生理所）、中國科學院海洋研究所（簡稱海洋所）、中國科學院上海矽酸鹽研究所（簡稱上海矽酸鹽所）、物理所和中國科學院細胞生物研究所（簡稱細胞生物所）等單位。八十年代的聲學所，分支學科門類齊全，科研人材多，學術水平高，儀器設備先進，已經成為中國的聲學研究中心。
物理學的發展離不開實驗技術的改進，而實驗技術的發展既有賴於物理學發展需求的推動，又得益於物理學研究的成果。例如，半導體物理的進展極大地改變了電子學的麵貌，而電子學在物理學的研究活動中則起著愈來愈大的作用。它不僅節省了可貴的勞動力，更重要的是，它還能承擔人類力所不及的某些實驗活動。
中國科學院實驗物理電子學的發展始於五十年代中期。圍繞著電子學這一總目標，物理所、半導體所、長春物理所、大連化物所、聲學所、力學所等單位先後開展了各種固體物理新現象在電子學中的應用、信號檢測、瞬態信號的變換與處理以及微型電子計算機在實驗物理中的應用等方麵的研究。三十多年來，中國科學院在實驗物理電子學領域，曾分別在固體發光顯示技術、磁存儲器、超導量子幹涉器等方麵取得應用成果，進行了各種微弱信號檢測技術的研究與儀器的研製以及瞬態訊號變換與處理的研究，發展了微型電子計算機在物理實驗方麵的應用，等等。
綜上所述，中華人民共和國成立以來，中國科學院在物理學的上述7個分支學科的研究均獲得長足發展，取得了許多重大的乃至具有國際先進水平的成果。
第二章 理論物理
理論物理學立足於全部物理實驗，它概括出最基本的物理規律，用演繹和數學的方法說明與預見各種物理現象，發現新的規律，促進整個物理學和自然科學的發展。自從人類的科學活動日益深入到不能由感官直接認知，而必須憑借實驗手段進行間接研究的微觀和宏觀的複雜世界以後，理論物理就越來越成為整個物理學的重要組成部分。理論物理工作者還是國家的一支重要的科研戰略預備隊，必要時，可用以解決國民經濟和國防建設中的重大理論問題。
一、統計物理和凝聚態理論
在五十年代，中國科學院的理論物理研究主要集中於對國防建設有直接意義的原子核理論以及基本粒子理論和場論方麵，統計物理和凝聚態理論（當時稱為固體理論）的研究起步較晚。一九五八年一月，當時的中國科學院數理化學部召開了"固體電子論的進展討論會"。一九五九年初，在物理所成立了以固體理論為主要方向的理論研究室；接著，又在該所的磁學研究室內設立了理論研究組。一九五九年十二月由物理所籌備召開的第一次全國固體物理學術會議上，固體理論始被列為分組之一。
一九六○年七月，從物理所內獨立出來的半導體所設立了物理研究室，專門從事基礎性研究，其中包括了一部分理論物理工作。此外，金屬所、福建物質結構所、武漢物理所、長春物理所等單位，雖未建立獨立的理論物理研究室，也結合實驗開展了一些理論物理方麵的研究。
"文化大革命"中，統計物理和凝聚態理論工作普遍受到衝擊。研究室、組被解散，研究人員被迫改行。在理論物理的各個分支中，統計物理和凝聚態理論本來是較為接近生產技術的一部分，但是也受到了"理論脫離實際"的批判。
一九七二年，中國政府總理周恩來過問科學工作，召開了全國科技會議，中國的理論物理工作同全國的科研工作一樣，環境有所改善。一九七三年初，物理所的一部分理論物理工作者重新組織研究組，恢複了科研活動。在一九七七年全國自然科學基礎學科規劃會議期間，許多理論物理工作者倡議建立理論物理研究所，並於一九七八年五月得到國務院的批準。根據建所要求，該所把統計物理和凝聚態理論列為主要研究方向之一。
三十多年來，中國科學院的理論物理工作者在統計物理、多體問題、固體能譜、超導和磁性理論以及金屬、半導體、離子晶體、非線性光學晶體等各種材料的理論方麵，完成了大量研究工作。
五十年代中期，量子場論方法和統計物理結合，導致了多體問題和超導理論的重大突破。物理所的陳春先、陳式剛、霍裕平等迅速掌握這一進展，作出了自己的貢獻。於淥預言含順磁雜質的超導體應存在位於能隙中的束縛態，一九六八年以後國外斯波弘行、魯西諾夫等才作出類似預言。這一預言在七十年代後期為實驗所證實。
中國科技大學吳杭生與南京大學蔡建華、龔昌德等合作，研究了強耦合超導體的衣利亞施伯格（Eliashberg）方程，為這個奇異積分方程求得了係統的級數展開解，得到了決定超導臨界溫度的較好的公式。
在相變和臨界現象理論方麵，沈覺連對第二類相變對稱理論中裏夫施茨（Lifshitz）條件的局限性作了分析；於淥、郝柏林發展了骨架圖展開方法，把重整化群理論中計算臨界指數的ε展開，求解到ε項。在統計模型方麵，李蔭遠等用級數展開方法分析了麵心立方的反鐵磁轉變；郝柏林等為三維伊辛模型求得了一種封閉近似解和配分函數的內插公式。在滲流理論方麵，李鐵城、蒲富恪、張昭慶、林沛文等求得一些滲流模型的嚴格解，分析了若幹滲流問題的臨界行為。
周光召、蘇肇冰、郝柏林、於淥等人進一步發展了最初由施溫格爾（Schwinger）建議的閉路格林函數理論框架，並運用生成泛函技術和路徑積分表示提出具體可行的計算方案，使之成為處理平衡和非平衡問題的統一方法。此法已用來研究臨界動力學、淬火無序係統、激光、等離子體輸運、非線性響應、核多體理論等具體問題。
在非平衡統計方麵，陳式剛、霍裕平關於線性輸運過程，特別是強磁場中的橫向輸運問題，有過持續多年的討論。霍裕平等對化學反應過程、波對弛豫過程的影響作了分析。
六十年代初期，中國科學院曾組織對高分子半導體進行大規模的實驗研究。陳式剛、郝柏林等與之配合進行理論分析，後來則轉為他們用化學鍵概念對普通半導體能級結構以及輸運過程等進行較為係統的理論研究，其中對零隙半導體、跳躍電導等有關問題的研究均與國外同類工作起始的時間相近。可惜，這方麵的工作由於受到外界幹擾，未能繼續下去。
在晶格動力學方麵，李蔭遠、褚克弘、顧世傑等關於局域模的分析，導致了關於頻譜密度的均分定理，即任一對稱類型的駐波的譜分布，比例於整個格波的頻譜。黃昆等在五十年代初建立的晶格弛豫和多聲子躍遷理論，三十多年來被很多人加以發展。八十年代初期，黃昆又進一步澄清了理論發展中出現過的問題，使整個理論更為統一。蘇肇冰、於淥把這一理論與波哥留波夫-德讓納（Bogoliubov-deGennes）方程和能隙方程聯係起來，成功地處理了聚乙炔鏈中孤子對的產生和極化子問題。
在磁學理論方麵，蒲富恪、李蔭遠、方勵之等對稀土金屬中的-作用、缺陷對自旋波和中子散射的影響以及自旋波局域模等問題分別進行過理論分析。六十年代初期，針對鐵磁共振的可能應用的前景，李蔭遠、蒲富恪、霍裕平、許政一、鄭慶祺等對鐵磁參量振蕩、磁聲耦合、鐵磁共振線寬等問題進行了比較係統的理論分析。霍裕平和孟憲振運用線性響應理論，研究了強交換耦合係統的亞鐵磁共振，特別是稀土離子對鐵磁共振的影響，解釋了低溫下共振場"反常"等實驗結果。
自中國科學院原子能研究所（簡稱原子能所）楊楨等發現α碘酸鋰晶體在靜電場中的中子衍射選擇性增強之後，物理所的實驗工作者又發現了光衍射增強以及介電行為改變等新現象。李蔭遠、李鐵城、顧世傑、許政一、顧本源等對這種準一維的離子導體進行了多方麵的理論研究，基本上解釋了全部實驗觀測到的現象。
福建物質結構所陳創天等運用晶體化學及晶格場理論方法，提出了晶體非線性光學效應的離子集團理論，為探索新材料指出了方向。
於淥、蘇肇冰等在低維係統的物理學方麵發展了超流液氦薄膜中的渦線動力學，解釋了實驗觀察到的非線性效應，研究了準一維導體中的元激發和光吸收。
張昭慶、林沛文等在無序固體理論方麵，林磊等在液晶理論方麵，曾發表多篇論文。在混沌現象方麵，郝柏林、陳式剛等在微分方程與非線性映象的數值和解析研究中，得到了一批新結果。
二、原子和分子物理理論
原子物理和分子物理一直是中國科學院研究工作中的薄弱環節，但也開展過一些工作。
一九五五年，彭桓武利用變分原理，給出了一個哈特利（Hatree）近似下的但包括有雙粒子間關連在內的雙粒子鍵的自治場方程。一九七八年以來，李家明等在物理所開展了原子物理的研究工作。他們先後進行了原子激發態和分子激發態的研究，闡明了激發態能級結構和電子-離子散射過程的關係，應用原子自洽場理論探討了離化態原子的電子能級結構及其Kα射線移位的規律，計算了由高能帶電粒子、光子（包括雙光子過程）等所引起的激發過程並總結出激發截麵隨激發度變化的規律，還計算了分子的激發態能級結構（即分子的裏德堡態）和其共振態，而且說明了這些結構與X射線吸收譜裏所呈現的近閾結構的關係。慶承瑞、何祚庥、張肇西等粒子物理工作者則對雙例外原子（即核和電子均為其他粒子所替換的原子）做了較為係統的研究，其中較重要的有→的衰變分枝比的研究以及→的研究等。關於雙例外原子的研究，在一九八○年廣州粒子物理討論會上有慶承瑞等人寫了一篇全麵評述。何祚庥、吳禮金、胡敏還計算了高速飛行下的H-離子在磁場中的壽命。慶承瑞、何祚庥、趙小麟在研究中微子質量的測量方法時，曾計算了H-離子和氫分子結構對氚的β衰變能譜的修正。計算表明，在用經典的磁譜儀測定中微子質量時必須準確地計算這些修正，否則就得不到確定的結果。
三、數學物理
八十年代中期以來，數學物理研究在國際上非常活躍，涉及的麵也很廣。
郝柏林、許以超、石赫等嚴格求解簡單立方和體心立方格子上一個具有四元素的轉移概率的隨機行走問題，給出了三維伊辛模型的一個封閉的近似解和適用於全部溫度範圍的配分函數內插公式。嚴沐霖與外國學者合作，計算了有磁場的伊辛模型的關聯函數，進而又研究發現坡爾斯（Polls）模型的星-三角方程中虧格大於一的解。張昭慶、蒲富恪和李鐵城等嚴格求解一維多近鄰滲流問題，得到了長程滲流的判據。
在經典可積動力係統方麵，屠規彰、李翊神、田疇等人的係統而深入的工作分別在變換群、對稱性以及廣義哈密頓結構的研究中取得了有價值的結果。郭含英、吳可、王世坤等在延拓結構和黎曼-希伯特（Riemann-Hilbert）問題等方麵曾取得進展。另外，蒲富恪等還得到了經典鐵磁鏈的多孤子解。
在量子完全可積係統的研究中，趙保恒解決了量子鐵磁鏈的問題，並得到其散射矩陣。趙保恒和蒲富恪等以非線性薛定鍔模型為例，建立起費米子的量子反散射理論，重新引入束縛態算子，推廣到同時包括費米子和玻色子最普遍的情形，並得到貝賽-安沙茨（Bethe-Ansatz）方程。
四、計算物理
計算物理是伴隨著電子計算機的出現和發展而逐步形成的一個介於理論物理與實驗物理之間的新分支。理論物理、實驗物理和計算物理這三大分支相輔相成。計算物理可簡單地理解為用現代化的計算工具武裝起來的理論物理，或形象化地描述為"打印在紙麵上"的實驗物理。它的題材是理論的，但它的方法、風格和需要，在很多方麵則更接近於實驗。
中國科學院應用數學所的秦元勳在推動中國計算物理的發展方麵起了積極作用。在他的倡導下，一九八二年八月成立了計算物理學會，一九八四年九月創辦了《計算物理學報》，一九八四年十月出版了《計算物理學》一書。中國科學院的理論物理所、物理所、高能物理所、原子能所、大氣所、力學所、應用數學所、計算中心、上海矽酸鹽所、沈陽計算所等單位，都有相當一部分人從事計算物理方麵的工作。一九八○年以來，理論物理所和物理所還在把解析推導和人工智能方法引入計算物理學研究方麵發揮了主導作用，推動了全國在這方麵的工作。
第三章 凝聚態物理
凝聚態是晶態、非晶態、準晶態、液晶和液態等物質的總稱。這些物質的共同點，是它們都由大量彼此間有顯著相互作用的電子、離子、原子或分子結合而成，從而顯示出種種與有用功能相關的行為和物性。凝聚態物理研究的是各類凝聚態在平常或極端（如極低溫、超高壓、強磁場等）條件下的形成機製、結構、結構缺陷和結構轉變規律，內在的各類相互作用的本質，各種運動（電子運動、原子運動和缺陷運動等）的特性，所表現的各種物性（如磁性、介電性、彈性與塑性、導電性、超導性、光學性質等）與結構、相互作用以及內在運動之間的有機聯係。
凝聚態廣泛存在於自然界，作為材料，也遍及人類生活與生產的各個方麵。因此，凝聚態物理既是人們深入認識自然界中各種凝聚態行為與結構的基礎學科，又是發展新材料科學的基礎。當今人們常說的"信息時代"的重要工具--計算機係統（其中如數據的采集、儲存、運算、處理、顯示等關鍵部件）的發展，推動整個近代非線性光學和有關新技術的激光的出現，以及當前電子工業的迅速發展，都與凝聚態物理的研究有著密切的關係。
在一九四九年以前，中國的凝聚態物理的基礎十分薄弱。當時，隻有北平研究院和中央研究院的兩個物理研究所在金屬與合金的結構分析、力學性質和磁性研究方麵開展過少量工作，而其他方麵的研究工作，則幾乎無人進行。中國科學院建立以後，調整了中央研究院和北平研究院的兩個物理研究機構，組建了以固體物理為主要研究方向的應用物理所，所內分設光譜、磁學、電學、晶體學、低溫、力學性質等6個研究組。兩年以後，該所又增加了固體發光方麵的研究。此後一段時間內，以應用物理所為中心，加上若幹高等院校的有關科學家的配合，中國的晶體學、低溫技術、磁學、固體強度與範性學等研究得到不斷發展，並培養出一批X射線晶體學、磁學、金屬物理學及低溫物理與技術方麵的科研與教學骨幹。一九五六年，中國製訂十二年科學技術發展遠景規劃，在規劃中提出了發展半導體、電子計算機等學科的6項緊急措施。按照這些緊急措施，應用物理所的電學研究組擴建為半導體研究室，一九五八年再增建固體發光研究室，接著，原有的其他研究組亦相繼擴建為研究室。根據規劃要求，應用物理所還開展了晶體生長、電介質、高壓物理等領域的研究工作。為了培養凝聚態物理方麵的科研力量，在當時新建的中國科技大學內設置了以凝聚態物理為專業的技術物理係。一九六二年以後，針對上述各分支學科的研究工作，均先後組建了研究室。同時，半導體研究室由物理所分出，另行組建為半導體所；而原來半導體室中的紅外研究工作，則調整到上海和昆明，分別成立了以紅外材料和物性研究為主要方向的上海技術物理所和西南物理所（後劃歸地方）。應用物理所的金屬物理和固體電子學部分，在調整中分別合並到中國科學院的金屬所和國家156工程（現陝西臨潼驪山微電子公司的前身）。一九六五年，固體發光研究室由物理所遷往長春，成為目前長春物理所的主要組成部分。七十年代初，國際上表麵物理正在興起，但受到"文化大革命"的影響，直到一九七五年底，中國才開始在中國科學院進行基本實驗條件的建設，並在一九七七年學科規劃中把它列為重點項目之一。在那次製訂規劃過程中，還討論了中子散射對凝聚態物理研究的重要作用，並決定建立有關的實驗條件。一九八三年，部分裝置在原子能所建成，並投入工作。非晶態物理是七十年代發展起來的凝聚態物理分支，中國科學院首先倡導和開展了這方麵的研究工作。快離子導體物理由於它在能源和其他方麵的應用，在國際上受到關注。在中國，七十年代後期，首先在中國科學院開始這方麵的研究工作。為了進一步發展凝聚態物理的研究工作，八十年代初期，中國又在合肥新建了一所以內耗和非晶態為主要研究方向的固體物理所。
三十多年來，中國科學院的凝聚態物理研究，從所覆蓋的分支學科來看，已經從中華人民共和國建立初期為數甚少且極為薄弱的幾個分支，發展成為包括晶體學、晶體生長、磁學、固體發光物理、半導體物理、電介質、非晶態物理、表麵物理、低溫技術與物理、高壓物理、固體缺陷、內耗以及固體離子學等13個分支的大領域；從研究機構的數量來看，已經發展到有10餘個研究所，從研究人員來看，已從一九四九年以前的10餘人，發展到今天的2000多人。
凝聚態物理研究的發展不斷地增進著人們對凝聚態物性、行為的認識，推動著新材料的開發。中國科學院凝聚態物理研究近四十年的發展，已經在13個分支學科的廣大領域打下了堅實基礎，並為國防工業、新型材料、電子工業、機械加工、礦山開采等方麵作出過不少貢獻。
一、晶體學
晶體學是研究晶體中的原子（或離子）排列的結構形態以及結構形態變化規律的學科。自然界的固態物質有許多是晶體。晶體中的原子（或離子）排列的結構形態與晶體所表現的物理、化學等性質和行為緊密相關。在固體材料中，同一成分的晶體可以因外界條件（如溫度、壓力）的不同而改變其晶體結構。組成地球的物質中包含有各種晶態化合物，它們的結構聯係著地球的許多行為。生物大分子的晶體有很複雜的結構，它們聯係著生命的許多現象。因此，晶體學既是固體物理和材料科學的基礎，也與地球科學和生命科學有著密切的關係。
晶體的結構主要是利用投射到晶體的電磁波（如X射線）或粒子（中子、電子、質子）束與晶體中按一定幾何形式排列的原子（或離子）相互作用後，在空間形成的衍射線的分布和強度來進行研究。這裏介紹的內容著重評述運用X射線、電子、中子等衍射與散射手段研究單晶或多晶的晶體結構以及結構的分析方法。
（一）X射線多晶衍射。
X射線多晶衍射結構分析是通過對X射線與多晶體相互作用所形成的衍射圖樣的研究以確定晶體結構的晶體學分支。中華人民共和國成立初期，中國的X射線衍射研究，隻有應用物理所陸學善和他帶領的少數年輕科技人員在合金的粉末衍射分析方麵有過一些工作。不久，劉益煥回國，開展了合金加工和熱處理後結構、結構變化以及休姆-羅塞萊（Hume-Rothery）電子化合物中的有序無序相變及超結構的研究。同一時期，吳乾章利用X射線多晶衍射物相分析方法，對鞍山鋼鐵公司大型平爐耐火材料的耐用性進行過研究。他們這些工作，對中國的X射線衍射分析研究起到了奠基和示範作用。
一九五八年，物理所張樂潓等舉辦了全國第一屆X射線衍射學習班，參加者近百人。這一段時間，應用物理所先後為各單位代培了數十名X射線分析工作人員。這些人才培訓工作，為全國X射線衍射分析實驗室的建立和工作的開展發揮了作用。
在建立和發展X射線多晶衍射的技術和方法方麵，物理所、上海矽酸鹽所、化學所研製了精密型德拜-謝樂（Debye-Scherrer）照相機以及紀尼葉（Guinier）單色聚焦照相機和單色器。他們使用大直徑德拜-謝樂照相機，通過修正偏心與吸收流移常數的方法，使測量晶體點陣常數的精確度達到五十萬分之一，屬於當時世界先進水平。同時，他們還推導出適用於低對稱性的聯立方程組來求解點陣常數；提出了適用於四方、六角、正交、單斜晶係的X射線粉末衍射圖譜指標化的一種新圖解法；利用等原子曲線限製指標化的多解和根據新圖解法的原理編製了計算程序和單斜晶係解析法、疊代修正法等指標化計算程序。
在利用X射線粉末衍射技術研究金屬合金體係的有關晶體結構和超結構的工作中，應用物理所陸學善和章綜發現了合金相中一類以氯化銫型為基本結構單位，空位作有序分布而形成的超結構相，指出決定其結構的主要因素是基本結構單位內所含的平均價電子數。這其中，最突出的成果是發現鋁-銅-鎳三元係的τ相內存在著8種結構。這8種結構都是以氯化銫型為基本結構單位，經畸變和空位沿六角晶係的Z軸作有序分布而形成的有10-17層的屬於不同結構類型的超結構。這一結果已被皮爾桑（W.B.Pearson）作為典型例子收入其專著。物理所陸學善、黃世明、梁敬魁等所研究的三鎳化二鋁、四鋁化三鎳鈷、NiGa等的結構也是屬於由單胞平均價電子數所決定的金屬化合物。他們發表的這些研究結果，六年之後由泰勒（A.Taylor）發表的相同結果所證實。
在金屬合金的有序化過程的研究方麵，物理所對銅-金二元係的超結構進行過深入細致的係統研究。他們從實驗上證實了CuAu超結構相的存在；還證明銅-金二元係有序兩相共存區是亞穩狀態，是同一種化學成份構成的兩種不同堆垛形式。他們發現，除了在等原子銅金成份附近存在著CuAu-Ⅰ超結構相外，在40%原子比和60%原子比的金附近也存在有CuAu-Ⅰ超結構；除了在400℃上下存在堆垛層錯數為10的CuAu-Ⅱ超結構外，在室溫條件下，有兩個成份範圍還存在其他不同堆垛層錯數的CuAu-Ⅱ，而且，堆垛層錯數隨成份和溫度而改變。他們的這些發現，為研究有序化過程及相變性質提供了新的實驗依據。
用X射線衍射法對物質多型性進行的研究也曾取得良好成績。上海矽酸鹽所郭常霖等發現84種碳化矽新多型體，占到世界上所發現的150多種多型體的一半以上。他們還測定過10多個屬於特殊結構係列的新多型體的晶體結構。物理所在對碘酸鋰的相變進行深入研究中，發現碘酸鋰相變過程存在著一係列中間相。這些工作，使人們對當時了解得比較少的重建型相變有了新的認識。
物理所用多晶粉末衍射的方法測定過一係列金屬間化合物和無機鹽的晶體結構，如FeGa，CoGa，VGa，MnGa，NiGa，LaGa，LaNiSi，四鋁化三鎳鈷以及碘酸鋅、碘酸氫鋰、碘酸鋰鉀、碘酸鋰銨、碘酸鎂、碘酸鋰鎂等的晶體結構，並討論了它們之間的相互關係。測定的精確度達到了世界上公認的高水平。
物理所、化學所、上海矽酸鹽所、上海冶金所、金屬所等單位，在無機鹽方麵結合非線性光學材料、快離子導電材料、鐵電、壓電和熱電等功能材料，在金屬合金方麵結合超導體、半導體、難熔合金、磁性和貯氫等功能材料以及高分子材料，開展過大量的X射線衍射工作。為尋找新材料，他們以X射線為主要工具，對碘酸鹽、铌酸鹽、硼酸鹽、硫酸鹽、矽酸鹽、鎢酸鹽以及镓和過渡族元素體係、含稀土的貯氫和磁性材料體係的相平衡關係。進行過深入研究，為選擇合理工藝提供了十分有價值的依據。一個突出的例子，是福建物質結構所與物理所對紫外倍頻新材料偏硼酸鋇低溫相晶體生長條件的研究。他們依據X射線粉末衍射點陣常數的準確比較，判定具有倍頻效應的是偏硼酸鋇的低溫相，而不是所謂的偏硼酸鋇鈉。他們還通過研究偏硼酸鋇和其他硼酸鹽或氧化物的相圖，確定了生長偏硼酸鋇低溫相的組份和工藝，並生長成功。
中國科學院的許多單位還開展了利用X射線衍射強度對物質進行定量分析的研究工作，測定了一些物質的晶粒度、結晶度、應力、擇優取向和膨脹係數，研究了測定德拜特征溫度以及非均勻性和各向異性的X射線衍射方法。
此外，物理所采用X射線物理的研究方法，曾研製成功用於中國首次地下核實驗的測溫裝置。
（二）X射線單晶體結構分析。
一九四九年以前，餘瑞璜在國內極其困難的條件下曾開展過從實驗衍射強度求絕對結構因數的研究。他的工作導致了威爾遜（A.J．C.Wilson）將概率統計方法應用於單晶體結構分析的重要研究。
一九五五年，唐有祺在應用物理所組建了中國第一個單晶體結構分析的研究組。同年，在中國首次用X射線方法測定出一個單晶體結構。
一九五六年，吳乾章在應用物理所指導單晶體結構分析方法的研究，稍後，又倡導和組織了對結構分析"直接法"的研究，並最先組織了單晶體結構分析電子計算機程序的編寫工作。
一九六三年以來，物理所範海福等對直接法進行了大量研究，其主要成果如下：
1.提出了將直接法和間接法相結合的基本原理。
在六十年代中期，直接法是孤立地發展著的一種新方法，其應用範圍受到許多限製。在實際的晶體結構分析中，以帕特遜（Patterson）法為基礎的各種間接方法占據統治地位。將直接法同間接法結合起來，一方麵可以發揮直接法的特長以彌補間接法的不足，另一方麵又可以擴大直接法的應用領域。
2.建立了一套處理單晶體結構分析中多解問題的有效方法。
多解問題是一個公認的困難問題，許多"難解結構"在分析過程中往往會出現多解問題。範海福等對多解的成因、表現形式和處理方法作了係統的探討。與國外同類工作相比，中國的工作較為係統、深入，所提出的方法也較為有效。
3.提出了用直接法測定超結構的原理，並建立了相應的自動分析程序。
超結構是一種特殊的難解結構，以前多用嚐試法解決，過程周折，費時。範海福等的工作搞清了用直接法測定超結構的原理，並用實例進行了試驗，還提供了國際上第一個可以自動分析超結構的電子計算機程序。
上述3項工作的主要內容已被一九八○年出版的一本直接法專著［蓋格瓦索（Giacovazzo）：《晶體學中的直接法》，倫敦，科學出版社］詳細引用。
4.把直接法用於蛋白質晶體結構分析的研究。
利用單對同晶型晶體的衍射數據或單波長異常散射數據測定蛋白質的晶體結構，可以減少同晶型晶體的種數和大大縮短衍射數據的收集時間，這對提高蛋白質晶體結構分析的效率有重要意義。但是，利用這兩類數據測定蛋白質結構都要遇到衍射周相的雙解問題。範海福於一九六五年首先論述了用直接法解決這個問題的原理。稍後，國外也發表了類似的探討。進入八十年代以來，這一命題成了國際上直接法研究的中心問題之一。郝普特曼（H.Hauptman）、蓋格瓦索（C.Giacovazzo）和卡爾（J.Karle）等著名學者分別提出了互相類似的用於處理單對同晶型和單波長異常散射數據的概率理論，並用無實驗誤差的理想數據作了成功的試驗。物理所晶體結構分析研究組在原有基礎上研究並發展出另一種方法。通過這些工作，他們提出了一個比較簡潔而實用的概率公式，解決了關於誤差處理的理論和實踐問題。同時，用帶有實驗誤差的真實蛋白質衍射數據進行試驗，取得了迄今為止國際上最佳的試驗結果。
（三）電子衍射和電子顯微術。
中國的電子顯微術研究始於一九五一年，錢臨照是這個領域的開拓者。當時，錢臨照和何壽安等在物理所裝備的中國第一台電子顯微鏡（以下簡稱電鏡）上開始對金屬單晶體初期範性形變進行電鏡研究，在考察鋁單晶滑移形變後的表麵特征中發現許多新的物理現象。這是中國固體材料電子顯微學研究的先驅。此後五、六年內，物理所舉辦了兩屆電子顯微術講習班，促進了中國其他領域內電子顯微術研究的發展。
六十年代，金屬所郭可信和物理所李方華開展了電子衍射的研究。金屬所研究了單晶電子衍射圖的幾何並對不同類型電子衍射圖進行了分析，物理所用透射和反射式電子衍射方法研究了薄膜結構與薄膜性能及其製造工藝之間的關係，並提出了一個從動力學電子衍射強度出發，尋求結構振幅的經驗方法，以此測定了二十三烷醇晶體結構中的氫原子位置。這是中國最早的電子衍射單晶體結構分析工作。
七十年代後期，金屬所郭可信和葉恒強等編著了《電子衍射圖》一書。物理所和金屬所都開展了高分辨電子顯微術方麵的工作，用點陣象技術直接觀察了晶體的結構和缺陷；隨後，又開展了結構象的應用研究，建立了高分辨電子顯微象的模擬計算技術。半導體所、上海矽酸鹽所、固體物理所等單位先後也開展了這方麵的工作，在研究各種氧化物、金屬、半導體、超導體、礦物、陶瓷、矽酸鹽、催化劑等材料的晶體結構、缺陷、界麵時觀察到許多新的結構現象。
八十年代，金屬所郭可信和葉恒強等又編寫了《高分辨電子顯微術在固體科學中的應用》一書。物理所在高分辨電子顯微術方麵的研究，重點是推進學科本身的發展，提出了贗弱相位物體近似的象襯理論，並在此理論的指導下，首次在高分辨電子顯微象上觀察到輕原子鋰。
物理所李方華和範海福等把X射線衍射分析中的直接法引進到高分辨電子顯微術中，發展了一種新的高分辨電子顯微象圖象處理方法。這是衍射技術與電子顯微術相結合的一個新的生長點。
物理所馮國光用會聚束電子衍射方法研究了晶體的對稱性和晶體缺陷，並首先指出可以用豪威（Howie）和徽倫（Whe1an）發展的晶體缺陷理論來解釋畸變場的會聚束電子衍射結果，提出了實現大角度會聚束電子衍射的一種新方法，還開展了電荷密度波的研究。
一九八四年，國外首次報道用電子衍射方法在急冷鋁-錳合金中發現了具有五次對稱性的二十麵體準晶。這種準晶無平移周期，但仍屬長程有序，具有準平移周期。由於五次對稱性是與傳統晶體學不相容的，因此這一科學新聞振動了國際物理學界。金屬所郭可信和葉恒強等於一九八四年用電子顯微鏡研究一些含有二十麵體結構單元的合金相結構時，也發現了具有5次對稱的電子衍射圖。一九八五年春，郭可信等在急冷的鈦鎳合金中發現二十麵體準晶。這一獨立發現得到了國內外的肯定。接著，物理所馮國光等於一九八六年在鋁鐵合金中發現了有10次對稱性的準晶。一九八七年，北京電子顯微鏡實驗室郭可信領導的研究組在急冷的鉻鎳矽和礬鎳矽合金中先後發現了具有8次對稱性的準晶和12次對稱性的準晶。上述幾個研究單位還在一係列合金中找到20多種準晶，占一九八七年前後國際上已知的準晶數目的一半以上。
一九八七年前後，物理所的幾個研究組合作，用電子衍射、高分辨電子顯微術和X射線衍射，發現了一係列介乎於準晶和晶體之間的過渡狀態，並用相位子應變作了圓滿解釋，把對準晶所特有的相位子缺陷的認識提高到一個新的高度。
中國科學院有關單位的這些獨創性工作，使中國在上述實驗研究領域居於國際領先地位。
（四）中子衍射和散射。
中子衍射和散射是研究晶體結構，磁結構和凝聚態中元激發等的重要手段。它是近三十年發展起來的一門新興實驗技術，對現代科學技術的發展有重要作用。
熱中子具有適於研究固體內部現象的能量，其波長又恰與原子間距相近，這就使得低能中子散射成為可以同時測量固體內部現象的時間相關和空間相關（即動力學性質和靜態結構）的有力工具。八十年代以來，在國際上，中子散射技術，例如背散射、自旋回波、極化中子、中子幹涉等技術，以及作為中子源的散裂源技術，均在繼續發展和不斷擴大研究範圍。
一九五八年，吳乾章在原子能所與該所科技人員共同開展了用中子衍射方法研究晶體結構的工作，並組織了把X射線、電子和中子三大衍射技術結合起來，互相補充的研究工作。一九七九年以後，在錢三強等的倡導和推動下，中國和法國的科技人員決定合作研製兩台中子散射譜儀，從一九八○年起經過近四年的共同努力，成功地研製成具有國際水平的中子散射三軸譜儀和四圓衍射儀。中國方麵的中國科學院中子散射協作組、核工業部原子能所和中國科技大學等單位參加了這項工作。利用這兩台儀器，可以進行有關磁結構和輕元素、同位素以及某些周期表中近鄰元素的精確定位、關於聲子和磁子色散曲線以及與之相聯係的力常數和交換積分、軟模相變、超導材料中色散關係的"軟化"、金屬及合金的自旋波、磁子與聲子的相互作用等方麵的研究工作。例如，林泉等利用中子非彈性散射研究了晶體的旋聲性，觀察到在某些旋聲晶體中，左旋的和右旋的圓偏振聲子可能具有不同壽命的現象。中國科技人員在目前十分活躍的準晶領域，首先作出了準晶樣品的中子衍射工作。此外，中國科技人員還測量了磁性單晶低溫下的自旋波色散關係；用銳特威爾德剖麵精化程序擬合磁性合金的中子衍射數據，並開始獲得磁結構方麵的完整結果；在對氫和周期表中某些輕元素的精確定位的研究中，用單晶的中子衍射解決了X射線長期未能獲得肯定答案的某些問題。
二、晶體生長
晶體生長是一門研究晶體成核、熱量和質量輸運、形態穩定性、界麵結構和動力學、流體效應等影響晶體成長的機製以及研究人工單晶體生長方法和技術的學科。
人工晶體可以具有壓電、電光、聲光、熱電、磁光以及光受激發射等功能，而且具有純度高、尺寸大、完整性好等優點，是發展電子、激光、電子計算機、紅外、聲表麵波等技術的重要材料，也是晶體物理研究本身所需的實驗樣品。結晶機製的研究還可以指導人們解決與結晶有關的其他科學技術問題（如人工降雨、消霧、驅雹、融冰、廢水處理、化雪等）。八十年代以來，結晶問題研究進入生物流體結晶的新領域，研究方向集中在生物體器官內結石的形成和生物體組織鈣化的機製，這將有助於深入了解和控製生物體內的某些結晶問題（如防齲、人工製造牛黃、人工培養珍珠等）。
中華人民共和國成立初期，應用物理所的錢臨照和何壽安等就開始了水溶液法生長晶體以及由熔態生長金屬單晶體的研究。一九五八年，物理所的吳乾章、張樂潓、賈壽泉等，長春光機所的鍾永成等，中國科學院地質研究所（簡稱地質所）的章元龍等，都根據中國十二年科學技術發展遠景規劃，結合各自單位的特點，選用了不同的單晶生長方法（水溶液法、焰熔法、提拉法、溫梯法、水熱法和助熔劑法）進行晶體生長的研究。六十年代初期，上海矽酸鹽所張綬慶等建立了多種氧化物單晶體的生長及檢測方法，為中國科學院以後的晶體生長的研究事業打下了基礎。三十多年來，中國科學院已成功地研製成屬於以下7大類的100多種人工晶體。
（一）光學晶體。
長春光機所從一九五八年起一直在開展光學晶體的生長、晶體完整性、光學均勻性以及內應力的消除等許多方麵的研究工作。在六十年代，他們解決了用天然熒石和合成氟化鈣生長優質氟化鈣單晶的技術，並於七十年代後期便取得了能生長出直徑達180毫米的大單晶的好成果。八十年代，他們把這種晶體經過熱鍛壓後已用作化學激光器的窗口材料。與此同時，中國科技大學也生長出氯化鈉、溴化鉀、碘化銫等單晶；廣州電子技術所生長出氟化鋰和摻質立方碘化鉈等光學晶體；上海光機所用導向溫梯法生長成50×50（直徑×長度，單位毫米）的可用作半導體白寶石矽片襯底和紅外窗口材料的白寶石；上海矽酸鹽所研製成用於高壓鈉燈管的管狀白寶石。這些成果，不僅豐富了光學晶體的品種，也推動了中國的晶體色心物理和色心激光的研究。
（二）水晶。
水晶是一種具有優良的機械性能與壓電性能和穩定的頻率特性的戰略物資。一九五八年，物理所開始探索用水熱法生長水晶，係統地研究了溫度、壓力、礦化劑濃度和充滿度等參數對晶體生長的影響，找到了影響晶體宏觀完整性的臨界組合參數，解決了生長水晶的"後期開裂"問題。地質所對水晶高壓釜的設計有所創新，並提出了六聯環狀分子在水晶結晶過程中的作用問題。七十年代初期，上海矽酸鹽所完成了年產成噸水晶的中試任務，並於八十年代編寫出人造水晶專著（仲維卓等著，科學出版社1983年出版）。中國科學院的人工水晶研究，不但解決了中國戰略物資天然水晶儲備不足的問題，而且促進了水熱合成技術和人工合成礦物技術的發展。
（三）激光晶體。
一九五八年，物理所開始用焰熔法生長紅寶石，並於一九六一年在研製定向杆狀激光器紅寶石的過程中解決了大尺寸寶石的開裂問題，生長出長度達1米的晶體棒，單根輸出能量超過1千焦耳。一九六四年，上海光機所與上海矽酸鹽所生長出類似尺寸的紅寶石，輸出激光能量達3千焦耳。同一時期，中國科學院安徽光學精密機械研究所（簡稱安徽光機所）用提拉法生長出激光紅寶石，其光程差當時在中國居領先地位。這些研究工作，為中國激光研究初期的發展起到了奠基作用。中國研製的第二種重要的激光晶體材料是四能級摻釹釔鋁石榴石。物理所從一九六五年起，先後用焰熔法、助溶劑法和提拉法生長出這種晶體。上海光機所用助溶劑法和提拉法已生長出360餘根分別用在高功率倍頻、連續大功率、寬頻段連續變頻等激光器上的棒狀摻釹釔鋁石榴石激光晶體。福建物質結構所生長出單摻釹和雙摻釹鉻的鋁酸釔新晶體，並從理論上分析了正交晶係鋁酸釔在泵浦過程中的熱效應，得到了80瓦和1.34微米的連續激光。為了解決釔鋁石榴石中的釹的濃度猝滅問題，長春應化所係統地探索了稀土五磷酸鹽自激活激光單晶。物理所生長出雙摻釹鉻和具有鉻→釹能量轉移的釓镓石榴石（化學式為GdGaO，簡稱GGG）類型單晶以及摻有各種稀土元素和雙摻釹鉻的無鈧替代型GGG激光晶體。上海光機所和安徽光機所研製成鈹鋁尖晶石，這是一種激光輸出功率可達90焦耳的和Q可調的巨脈衝輸出可調諧激光晶體。三十多年來，中國科學院的激光晶體研製工作不但為該院的激光技術研究作出了貢獻，而且還帶動了晶體生長過程中流體效應、雜質分凝、瞬時生長率的估算以及生長參量與晶完整性的相互關係等有關高溫熔體生長學科的發展。
（四）非線性光學晶體和閃爍晶體。
隨著激光技術的發展，中國科學院的一些研究所開展了非線性光學晶體生長的研究。α-碘酸鋰是一種較好的倍頻晶體。物理所賈壽泉等用水溶液法培育這種晶體，從實驗上探討和精確測量了兩相亞穩區和溶液流體效應。他們找到了最佳生長條件，所得晶體的品質和尺寸均居國際領先。
福建物質結構所陳創天等通過結構選型、材料合成、物化及相圖分析、晶體培養、結構性能測試等，找到了在紫外倍頻上有應用前景的新型非線性光學晶體低溫相偏硼酸鋇。
安徽光機所研製的硫镓銀晶體（AgGaS）可用於中紅外激光倍頻、混頻及激光參量振蕩器。
铌酸鉀（LiNb0）晶體是一種具有多種功能的鐵電晶體，在聲學和激光領域具有廣泛的應用。聲學所施仲堅等從一九七○年開始生長铌酸鋰。他們研製成的浮力提拉單晶爐已在中國普遍推廣。他們還生長出125×50（直徑×長度，單位毫米）的大單晶體，已用來製造聲表麵波器件。此外，他們還生長出了長管狀、柱狀等異形铌酸鋰晶體，上海矽酸鹽所用自己研製成功的浮稱自動等徑生長法得到了折射率變化Δn≈5×10-5／厘米的大直徑（直徑75×長度90毫米）铌酸鋰單晶。該所何崇藩等應用坩鍋下降法生長出用於核物理和高能物理的閃爍晶體鍺酸鉍，其質量處於國際領先地位。此外，該所還研製成有多種取向和成形的氧化碲聲光晶體。中國科學院所研製的铌酸鋰與鍺酸鉍晶體已進入國際市場。
（五）磁性及磁泡基片等單晶體。
一九五八年，物理所在國內首先用助熔劑法生長釔鐵石榴石（YFeO，簡稱YIG），爾後，又生長出用於微波器件的稀土鐵石榴石、釔鉍鐵石榴石（Y-xBixFeO）和摻銦的鉍鈣釩石榴石等單晶。該所研究磁泡及磁光材料的工作，帶動了液相外延薄膜單晶以及磁泡基片釓镓石榴石的生長和無位錯生長方法的研究。摻質和替代型釓镓石榴石單晶生長的研究為磁光基片和磁致冷介質等提供了單晶材料。上海冶金所建立了生長大尺寸完整的釓镓石榴石單晶的成熟工藝，開創了國內自動控製直徑的技術。
（六）半導體單晶。
半導體所於一九五六年開展了半導體單晶生長的研究。他們用水平區熔法得到了純度為9個"9"的鍺材料，並用提拉法獲得了鍺單晶，其電阻率為46歐姆·厘米（一九五七年）。為了滿足鍺的實際應用的要求，該所在林蘭英、洪朝生的領導下，開展了單晶的摻雜研究。到一九五八年初，他們生長的鍺單晶已經達到器件製造的要求。他們於一九六二年又製成直拉無位錯單晶矽。該所與北京機械學院協作設計製成的矽單晶爐（型號為TDK），精度高，已經廣泛應用於中國各種高熔點氧化物單晶的提拉生長。
為了研究化合物半導體，半導體所於六十年代後期開展了砷化镓的液相和汽相外延生長工作。七十年代中期，該所又研製成高壓單晶爐，然後，用液體掩蓋提拉法生長出磷化镓和磷化銦材料。磷化銦是製造1.55微米波長光電器件和微波器件的重要材料。長春物理所用化學輸運法生長出發光二極管材料硫化鋅、硒化鋅單晶以及氮化镓和窄禁帶的碲錫鉛（SnPbTe）。七十年代以後，他們又研製出寬禁帶化合物半導體單晶，得到了化學配比接近理論值的六角柱狀硒化鋅（ZnSe）單晶。
中國科學院的半導體材料晶體生長工作，在中國一直領先，起到了帶頭作用。
（七）人造金剛石。
在研製人造金剛石方麵，物理所和地質所（一九六六年以後該所轉歸上海矽酸鹽所）分別在一九五八年和稍後建立起高溫高壓設備。物理所的何壽安、沈主同等，在一九六三年合成出磨料級人造金剛石；一九六五年，又合成出立方氮化硼，並推廣了磨料級人造金剛石的生產。八十年代，在多晶金剛石的研製方麵，他們在高溫高壓體係中有關凝聚相界麵結合的理論和實驗研究的基礎上研製出晶界強化摻質燒結方法和球化摻質與自體結合燒結方法，屬於國際先進水平，並為工業生產部門所應用。上海矽酸鹽所章元龍等在一九七○至一九八三年期間，開展了單晶金剛石的生長及其生長機製的研究，於一九八○年便研製成2-4毫米大小的人造金剛石單晶體。地球化學所也進行了人造金剛石合成研究。上海矽酸鹽所和地球化學所還研製了Ⅱ金剛石分選儀。
（八）其他晶體生長和生長機製的研究。
福建物質結構所應用水溶液法生長出X射線分光晶體季戊四醇（PET）、鄰苯二鉀酸氫鉀（KAP）和硬脂酸鉛（LS）。廣州電子技術所生長出X射線分光用的氟化鋰單晶。
在生長機製的研究方麵，物理所以難長晶體的單晶生長為研究方向，結合相圖和相變的研究，試生長一些具有包晶反應的單晶體，如三铌酸鋰、十四铌酸鋰和超導氧化物鉛鉍酸鋇等。後一種超導氧化物是研究超導化合物新機製的材料之一。使用電子計算機模擬晶體生長是一個新興研究領域。八十年代，中國科技大學和上海矽酸鹽所均開展了蒙特卡羅（MonteCarlo）電子計算機模擬晶體生長的研究工作。
八十年代中期以後，半導體所和物理所利用分子束外延方法生長出阱寬為40-180埃的镓砷-鋁镓砷（鋁砷）各種結構的多量子阱和超晶格。多量子阱結構的熒光峰半寬度為2兆電子伏，異質結界麵和層厚可精控達單原子層量級。物理所在超高真空下生長出鉬-鎳超晶格，每層厚度為25埃。這種磁性和超導性共存的超晶格薄膜具有多種特異性能。
總之，三十多年來中國科學院的晶體生長研究工作發展很快，隊伍已增加到近千人，生長出的晶體品種已在百種以上。這些單晶體在物理、化學、電子學等方麵具有很多優良性能，已被用在很多器件上。
三、內耗
振動著的固體，即使與外界完全隔絕，其機械振動也會逐漸衰減下來。這種由於內部原因而引起的能量損耗，使機械振動能量不可逆地耗散為熱能的現象，稱為內耗。
內耗由於是固體的振動因固體的內在變化而發生衰減，因此，根據內耗測量所得的結果可以推知固體中所發生的內部變化的性質。一般而言，固體結構中隻要有缺陷存在，具有不對稱性，或者出現結構不穩定性，它們在適當條件下都會引起內耗。由此可見，內耗測量能夠很靈敏地反映固體內部（或表麵）的分子、原子、聲子、電子等的存在狀態及其運動變化，提供有關各種固體缺陷的組態及其相互作用的具體情況。
內耗研究早在四十年代便發展成為一個專門研究領域，中國的科學家對於這個領域的開創和發展以及測量內耗的關鍵儀器（扭擺）的設計和應用，做出過重要貢獻。中華人民共和國成立初期，在一九五○年初，應用物理所與清華大學物理係就開始針對碳、氮在鐵中的擴散、脫溶和沉澱以及鐵的高溫蠕變和含碳的影響，合作進行內耗研究。一九五二年以後，中國科學院則在沈陽新建的金屬所金屬物理研究室大量開展了內耗研究。到一九五七年，這些研究工作已取得明顯成果。主要涉及到點缺陷、位錯和界麵所引起的內耗以及相變內耗，有的工作已能初步地聯係到實際問題。在點缺陷內耗方麵，首次在γ-鐵和鎳等麵心立方晶體中觀測到填隙原子所引起的斯諾克（Snoek）類型的內耗峰。最初是在含碳的幾種麵心立方係合金鋼（18／8型不鏽鋼和高錳鋼）中發現，這種內耗峰，其高度與含碳量成正比。據認為，點陣中的合金元素原子與處於八麵體間隙位置的碳原子構成一個在各個方向引起不同畸變的原子對，這個原子對由於在應力作用下發生轉動而產生了內耗。隨後，又發現含微量錳的γ-鐵中因含碳而出現內耗峰。這種內耗峰的高度與含碳量的平方成正比。據認為，這是因為填入一個點陣空位位置的兩個碳原子構成了一個在各個方向引起不同畸變的原子對，這個原子對在應力作用下發生轉動而產生了內耗。上述現象也在含碳的鎳鋁合金和純鎳中觀測到，而且內耗峰的高度也是分別與碳含量的一次方和二次方成正比。這說明填隙原子能夠在麵心立方點陣中引起內耗峰是一種普遍現象。在產生內耗峰的物理模型提出來以後，中國科學院上海冶金研究所（簡稱上海冶金所）和南京大學物理係立即進行了相應的理論分析工作。這項工作是中國科學家彼此配合取得較完整的重要成果的一個範例。
在此期間，金屬所為國內外有關單位培養出不少內耗研究骨幹。同一時期，該所還建立和完善了各個頻譜的內耗測試裝置，包括低頻扭擺、聲頻內耗儀、石英複合振子超聲內耗儀（南京大學較早建成）、超聲衰減裝置和測量拉伸形變過程中的內耗的中間扭擺裝置。所得到的較重要成果有3個方麵：（1）總結了以往關於鐵、銅、鋁、鎳等金屬及鎳碳、鋁銅和鋁鎂合金在範性形變過程中內耗的實驗結果，提出了金屬範性形變低頻內耗的位錯動力學模型；（2）開展了用能量消耗的方法研究鋁及鋁合金在疲勞載荷作用下所發生的基本過程的工作，並根據點缺陷（空位和溶質原子）與位錯的交互作用的觀點對實驗結果作出解釋；（3）比較係統地繼續進行了葛庭燧在一九四九年首先發現的表現反常振幅效應的內耗峰實驗，在含銅0.5%和含鎂0.1%的鋁合金中通過完全退火和輕度冷加工的實驗程序能夠較有把握地觀察到表現反常振幅效應（即內耗隨著振幅的增加而減小）的時效內耗峰和溫度內耗峰，提出了位錯彎結氣團模型。
一九八二年三月，固體物理所在合肥正式成立。在葛庭燧的領導下，該所很快建立起內耗實驗室，大力開展內耗研究工作，使之成為中國的內耗研究中心和物理學會內耗與超聲衰減專業委員會的掛靠單位。該所除了重視自身的基礎研究以外，也很重視內耗在生產實際方麵的應用研究，並注意推動國內高阻尼材料和稀土元素的應用、合金強度等方麵的內耗研究。此外，該所還進行了各種類型的內耗測量儀器的研製工作，先後製成自動倒扭擺內耗儀、強迫振動變頻扭擺內耗儀、靜電激發聲頻內耗測量裝置和疲勞形變超聲衰減裝置，等等，其中有的已達到國際先進水平。至此，中國科學院已有固體物理所、金屬所、上海冶金所、物理所、化學所、聲學所、中國科技大學和長春應化所等8個單位從事內耗研究。
四、晶體缺陷
晶體缺陷的研究始於脆性材料斷裂和塑性材料形變的研究。一九四九年以前，中國極少有人開展晶體缺陷方麵的研究工作。一九四九年以後，中國科學院的有關單位逐步開展了這一領域的研究工作，其起始階段多是以單晶體形變的研究為主。六十年代初期和中期，國際上位錯研究正值高潮，中國科學院各有關單位也迅速開展了以位錯為主的晶體缺陷研究，但卻因發生"文化大革命"而被迫中斷。七十年代中期以來，中國科學院的晶體缺陷研究工作迅速得到恢複和發展，研究的材料從金屬、半導體材料擴展到發光晶體、激光晶體、超導材料等，觀測技術從光學顯微鏡方法、電子顯微衍射方法擴展到X射線貌相法和高分辨電子顯微術，研究內容從基礎研究擴展到應用研究。
（一）五十年代的晶體缺陷研究。
五十年代初，物理所的金屬物理研究組曾用電子顯微鏡複型法對鋁單晶形變後表麵出現的滑移帶進行觀察研究。一九五五至一九五六年間，他們與在北京大學工作的蘇聯學者華西列夫合作，采用形變-表麵拋光-再形變的方法，研究了原先滑移帶上再次開動的位錯源所引起的局部範圍內的滑移帶，對形變過程中硬化、弛豫和交滑移的作用有了進一步的了解。
五十年代中期，從美國回國並到物理所工作的陳能寬（他在國外曾用顯微電影裝置直接觀察滑移帶的發展過程）開展了矽鋼片立方織構的形成的研究工作。當時，這是提高矽鋼片性能的一個關鍵問題。
同一時期，金屬所張沛霖等還研究了晶粒間界對鋁單晶中亞結構形成的影響。
（二）六十年代的晶體缺陷研究。
一九五六年，國外在用電子顯微鏡直接觀察薄晶體的缺陷方麵取得重大突破。中國的科學家跟上這一研究動向，一九六○年，由金屬所、物理所、中國科學院吉林分院、吉林大學在長春聯合舉辦了"晶體缺陷和金屬強度報告會"。會上報告的主要內容有《晶體中位錯理論的基礎》、《位錯的彈性理論》、《小角度晶粒間界的位錯模型》、《點缺陷與位錯的交互作用》和《晶體中位錯的觀察》等。這些報告，後來由科學出版社彙集成《晶體缺陷與金屬強度》一書（上、下冊），於一九六三年出版。這次報告會，對中國晶體缺陷的研究起了巨大推動作用，促成了六十年代初期中國晶體缺陷研究的迅速發展。
由於浸蝕法觀察位錯的方法簡便易行，用綴飾法紅外光學顯微鏡觀察矽單晶中的位錯也比較容易，因此，中國的不少單位在六十年代中期都開展了位錯直接觀察的研究。與此同時，中國還引進國外先進的電子顯微鏡開始了薄晶體的透射電鏡研究。
這一階段，中國科學院開展晶體缺陷研究的單位除金屬所、物理所外，還有上海冶金所和上海矽酸鹽所等單位。金屬所的何怡貞所領導的研究組開展了石墨和矽晶體中位錯的直接觀察研究，在石墨薄片中觀察到平行位錯列和疊柵圖條紋的移動，在矽單晶中觀察到單個位錯和位錯群的運動，並用紅外顯微鏡觀察了矽中位錯和銅沉澱的形態。金屬所郭可信領導的研究組，對鎳鉻、鋁鎂合金薄膜中一個滑移麵和兩個滑移麵上的位錯運動和位錯反應以及超點陣位錯進行了大量研究，趕上了六十年代的國外研究動向。
物理所當時也引進了電鏡，利用它開展了铌鈦超導合金中位錯、沉澱粒子和臨界電流的關係的研究，他們還研製成在液氮溫度下操作的小型拉伸裝置，可用於研究低溫形變對超導材料的影響。在理論方麵，他們則開展了位錯環和空位的彈性相互作用的研究。
X射線是研究晶體缺陷的重要工具。上海冶金所許順生領導的研究組開展了晶體缺陷的X射線研究。他所著的《金屬X射線學》一書被廣泛采用。上海矽酸鹽所郭長霖等則開展了碳化矽多型性的X射線研究。
（三）七十年代後期以來的晶體缺陷研究。
這一時期，中國科學院在晶體缺陷方麵的研究迅速發展，經過十幾年的努力，在不少方麵已趕上世界水平。
一九七七年，物理所首先發現氫氣氛中生長的矽單晶在熱處理後出現大量缺陷妨害製成半導體器件。他們以實驗方法證明這種矽單晶內部存在著矽氫鍵，熱處理時矽氫鍵斷裂，析出的氫在晶體內形成缺陷。其後，物理所、冶金所、中國科技大學等單位對矽中缺陷開展了係統的研究，用X射線貌相方法等實驗技術弄清矽中氫致缺陷的本質。物理所還對矽單晶中原生微缺陷和二次缺陷的產生進行了研究。他們與哈爾濱工業大學等單位合作，提出一種擴磷後在矽片背麵產生高密度缺陷層以吸除有源區內磷和有害缺陷的"雙吸除技術"，使有源區高度完善，提高了器件的性能和成品率。
上海冶金所許順生領導的研究組自製成Lang形貌相機和高精度雙晶衍射儀，用他們對晶體缺陷和應變進行了大量研究。他們早在六十年代就對鍺晶體中的位錯進行了X射線貌相觀察。七十年代中期以來，他們又對矽單晶中的孿晶界麵、矽中氫致缺陷進行了貌相研究，對矽單晶拋光損傷、砷化镓上外延Ga-xA1xAs外延層的錯配等進行了高分辨雙晶衍射研究。中國科技大學利用高分辨衍射方法對離子注入矽單晶表層的損傷分布和輻照損傷氟化鋰單晶的"黃昆散射"進行了實驗研究。
固體物理所和冶金部有色金屬研究總院合作，在七十年代後期，利用高壓電子顯微鏡對拉伸載荷下鈦中裂紋的成核和擴展進行了動態觀察。後來，固體物理所又繼續對鈦中小角晶界進行了電鏡研究。
物理所的科研人員用X射線旋進照相方法研究了鋁-鋰-銅大塊近準晶體的對稱性和用高分辨電鏡獲得了鋁-錳合金準晶體的高分辨象。
上海矽酸鹽所對氮化矽、人工水晶等無機材料中的晶體缺陷進行了大量的高分辨電鏡研究。他們還對雲母、水晶單晶中的缺陷進行了研究。
金屬所和中國科技大學在龍期威指導下，係統地開展了缺陷的正電子湮滅技術的研究，測定了裂縫頂端範性區大小及其中的缺陷分布。
在理論研究方麵，金屬所的科研人員對裂紋頂端的應力強度因子進行了計算，提出了裂紋頂端負位錯區的概念及其和無位錯區形成的關係。
五、磁學
磁學是研究物質磁性、磁場以及它們與其他物性的關係的科學，是電磁學和凝聚態物理學的一個重要組成部分。磁學在電力、電子、通信儀表、家用電器等傳統工業中和在新能源、新材料以及信息、空間、生物等新技術中，都有著廣泛的應用。
中國是最早發現並最早應用物質磁性的國家。中國最早在航海方麵應用指南針，這一古代成就在世界科學技術史上具有重要地位。然而，中國近代磁學的研究，在一九四九年以前卻十分薄弱，僅有中央研究院物理所施汝為和潘孝碩領導的一個磁學研究組和一些大學做過少數零星的研究工作。中華人民共和國成立以來，中國磁學和磁性材料的研究，結合國民經濟和國防建設的需要，獲得了迅速發展。
中國科學院從事磁學研究的單位，主要有物理所、金屬所、上海冶金所、電子學所、計算技術所和中國科技大學。其中，以物理所的磁學研究曆史最早，研究力量較強，研究工作也較多。施汝為、潘孝碩和新中國建立初期從國外歸來的向仁生、李蔭遠等人的早期工作，為新中國培養了一批磁學方麵的科研、教學和技術骨幹。在他們的推動下，中國的磁學工作者首先在北京大學、中國科技大學和物理所開設了鐵磁學和鐵氧體物理學等專門課程，並翻譯或編寫了一批磁學方麵的專著，如《現代磁學》、《鐵氧體物理學》、《超高頻鐵氧體》、《生物磁學及其應用》、《電磁學發展史》和《磁性材料》等。同時，按照中國十二年科學技術發展遠景規劃的要求他們還結合國民經濟、國防建設和發展新技術的需要，開展了與電子計算機、信息技術、微波技術和新材料有關的新領域的磁學研究工作，如鐵氧體、電子計算機用的磁芯和磁膜、鐵磁共振、稀土化合物及合金磁性、非晶磁性材料、磁記錄材料和磁學理論等方麵的研究，並把一些新技術（如穆斯堡爾效應、核磁共振、中子技術等）引入到了磁學研究中。
（一）永磁材料。
中華人民共和國成立初期，物理所的施汝為、潘孝碩研究了呂臬古永磁合金的熱處理與磁性的關係，還研究了含24%鈷的呂臬古5合金經過磁場熱處理後的單軸磁各向異性和矯頑力隨溫度的變化。施汝為等利用熱磁分析方法研究成分近於FeNiAl的鐵-鎳-鋁三元合金的飽和磁化強度、矯頑力和居裏點隨成分和熱處理的變化，並定性地解釋了呂臬古永磁合金的脫溶動力學過程和產生高矯頑力的主要原因。物理所李國棟等對鐵-鉻-鈷係永磁合金的矯頑力和穆斯堡爾參量與溫度的關係進行了較為係統的研究，對其反磁化機製提出了新的見解。
物理所李國棟等在研究2-17型稀土永磁合金的矯頑力和穆斯堡爾參量隨退火條件的變化時，觀測和討論了矯頑力變化與原子占位變化的相關性，指出宏觀磁性與微觀結構比較研究的重要意義。為了發展新的稀土永磁和其他材料，金屬所莊育智等研究了多種稀土-過渡金屬化合物，根據稀土（鈷過渡金屬）的相圖（其稀土為釔、鐠、釓，過渡金屬為鈦、釩、鋁、錳、鐵、鎳、銅），探討了組元、結構、相變與磁性能的關係，電子學所楊先稱等研究了摻重稀土元素的低溫度係數稀土永磁合金，並把這種合金用於微波電子學。在國外發表第三代稀土永磁材料後不久，物理所王震西等和電子學所也聯合研製成功性能良好的釹-鐵-硼永磁合金，其性能達到最大磁能積為41.3兆高奧，內稟矯頑力為10.5千奧，磁感矯頑力為9.8千奧，剩餘磁感應強度為13.25千高斯；同時，他們還初步研究了這種合金的永磁性的機製和磁反常現象。
（二）軟磁材料。
矽鋼片是電力和電子工業上用量最大和用途最廣的一類軟磁金屬材料。中華人民共和國成立初期，中國科學院積極參與了生產方麵急需解決的矽鋼片性能改進和檢測標準等問題的研究工作。物理所向仁生研究含0.83%矽的矽鋼片的熱處理改性問題，顯著降低了鐵損，最好結果是10千高斯鐵損為2.3瓦／千克，15千高斯鐵損為5.2瓦／千克，略優於當時國外同類產品的水平。關於晶粒取向矽鋼片的研究，物理所陳能寬等通過一係列加工和熱處理的探索，在含矽2.9%，3.35%，4.15%的樣品中獲得了良好的二次再結晶（110）〔001〕織構，即得到了所要求的從尤取向（單取向）。在立方織構（雙取向）矽鋼片的研究方麵，物理所周邦新等將含矽3.26%的樣品經過不同的冷軋、中間退火及最後高溫退火，通過二次再結晶得到了立方織構（100）〔001〕，其織構高於90%。
在軟磁鐵氧體方麵，物理所先後研究過用於射頻段的尖晶石型錳-鋅和鎳-鋅係鐵氧體以及可用於甚高頻和超高頻段的六角晶係易麵型的鈷-鋇（CoZ）和鈷-鋅-鋇（CoZnZ）鐵氧體，探討了在尖晶石型鐵氧體中摻少量稀土以改善磁導率溫度特性、二價鐵離子的作用及磁導率減落等問題。