基于文献计量的凝聚态物理理论重要研究机构分析*

吕凤先 刘小平**，，2 赵 建，2

（1.中国科学院文献情报中心，北京100190；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京100190）

凝聚态物理学从微观角度出发，研究由相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质的关系[1]，研究对象包含液体、固体、液晶、玻璃、溶胶、分子间距较小的稠密气体等，这些材料可应用于日常生活、工业生产、航空航天、信息、能源等多个领域[2]，具有重要的社会价值和战略意义。

美国和欧盟等主要国家／组织重视凝聚态物理领域的研究。美国将其作为发展量子信息科学的重要基础之一。美国能源部（Department of Energy，DOE）在量子信息科学资助计划中对凝聚态物理进行资助，还向量子材料研究中心提供资金资助凝聚态相关研究。在2019财年预算中，DOE在量子信息科学预算中，将“凝聚态物理和材料物理”子计划的预算从2017财年的1.0亿美元增加到1.2亿美元，增长20%。欧盟若干促进数字化单一市场的大型计划中包含了凝聚态物理的研究内容，例如，2017年发布的量子旗舰计划与“地平线 2020”计划。欧洲研究理事会（European Research Council，ERC）是欧盟基础研究的主要资助机构，2017—2019年，在凝聚态物理领域ERC资助了115个项目[3]。其中法国（20个）、英国（16个）、瑞士（16个）、德国（15个）获资助的项目较多。法国获资助项目数量占总项目数的17.4%，获资助金额4510万美元。英国将凝聚态物理-磁性和磁性材料作为发展材料科学的重要研究领域之一。2013年，英国工程与自然科学研究理事会（Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）发布材料科学报告，指出凝聚态物理-磁性和磁性材料是重要的发展材料科学的物理学研究领域之一。2017年英国皇家学会发布《磁学路线图》，由领域专家为子领域制定了未来发展方向。EPSRC在凝聚态物理领域资助了电子结构、磁和磁性材料两个研究领域，依据EPSRC官网数据进行的统计显示，截至2019年底累计资助金额约3.3亿美元。中国重视凝聚态物质与新效应、高温超导技术的研究，在2006年2月发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，将高温超导技术作为前沿技术之一，将凝聚态物质与新效应作为基础研究的科学前沿问题之一。中国国家自然科学基金委员会（Natural Science Foundation of China，NSFC）资助范围包含凝聚态物性：结构、力学和热学性质，以及凝聚态物性：电子结构、电学、磁学和光学性质两个类别，2009—2018年，资助金额约为7.7亿元，其中，2017—2018年，累计资助金额约为0.6亿元。

凝聚态物理在高温超导、拓扑物态领域取得了重要进展。2020年10月，研究人员报道了在相当于地心压力3／4的环境下碳硫氢化物室温（15℃）的超导电性[4]。美国、日本、中国、俄罗斯等国科学家发现了氧化镍、Al-Zn-Mg准晶体、Ba2CuO4-y[5]等超导材料，原理上阐明（氢化镧、转角石墨烯）等的超导现象。在拓扑物态领域，继1980年克劳斯·冯·克利钦（Klaus von Klitzing）教授在高质量半导体界面中的二维电子气里发现了量子霍尔效应之后，拓扑物态领域取得了系列进展。1987年，哈佛大学从理论上预言了三维体系中可能存在三维量子霍尔效应，并给出了它的物性特征。2005年，美国科学家凯恩（C.L.Kane）、张首晟等提出量子自旋霍尔效应，开启了拓扑绝缘体研究。2010—2013年，中国科学院物理研究所（以下简称为物理所）、清华大学等机构提出磁性离子掺杂拓扑绝缘体薄膜以实现量子反常霍尔效应的方案，首次观测到了量子反常霍尔效应。2013—2015年，物理所、牛津大学、普林斯顿大学等机构通过理论预测和实验测量，发现了狄拉克半金属、外尔半金属等拓扑半金属体系，把拓扑物态分类从绝缘体推广到了金属。2018年底，中国科学家观测到基于外尔轨道的新型三维量子霍尔效应。2019年，中国科学家与新加坡、美国的科学家合作，在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应；中国、美国科学家设计自动化流程，在自然界中筛选出可能具有拓扑结构的材料。

本文将聚焦凝聚态物理理论研究方向，遴选出4个重要的研究机构，并对其进行深入的比较，由点及面，分析我国在该领域的发展状况。

1 凝聚态物理2010—2019年论文产出基本情况

采用文献计量学方法对2010—2019年国际凝聚态物理研究论文进行初步分析，展示该领域的国际发展态势与整体发展状况。文献数据来自美国信息科学研究所（Institute for Scientific Information，ISI）的科学引文索引扩展版（Science Citation Index Expanded，SCIE）数据库，以 WC＝（Physics，Condensed Matter）作为检索式，文献类型为研究论文、学术会议论文、综述和快报，数据采集时间为2020年3月17日。利用数据分析工具德温特数据分析家（Derwent Data Analyzer，DDA）和可视化分析工具对检索到的论文进行计量分析。

2010—2019 年，全球共发表凝聚态物理相关论文294636篇。从图1看，全球凝聚态物理的发文量总体保持稳定增长趋势，2019年的发文量是2010年的1.2倍。

图1 2010—2019年凝聚态物理发文量年度变化趋势Fig．1 Trends of the Number of Papers in Condensed Matter Physics in the World from 2010 to 2019

2010—2019 年，凝聚态物理领域研究发文量排名前10位的国家包括中国、美国、德国、日本、印度、韩国、俄罗斯、法国、英国、意大利（图2）。发文量排名前10位的国家共发表论文281624篇，占凝聚态物理总发文量的95.58%。其中，中国在该领域的研究体量较大，其发文量占总发文量的25.68%，是排名第二位的美国发文量的1.4倍，表明中国在凝聚态物理领域的科研活动相当活跃。

图2 2010—2019年凝聚态物理发文量排名前10位的国家Fig．2 The Top 10 Countries in Condensed Matter Physics Based on the Number of Papers from 2010 to 2019

2 凝聚态物理理论研究重要机构遴选与深入分析

基于Web of Science数据库对凝聚态物理2010—2019年SCI论文的高被引论文的排名，锁定了中国科学院、DOE、南洋理工大学、加州大学、清华大学、斯坦福大学、麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）等机构／系统。通过对中国科学院、加州大学系统内的高被引论文进行排序，并结合近年来凝聚态物理领域的重要进展（物理所在高温超导等领域获得重要进展，获得2014—2015年度叶启孙物理奖，2019年在拓扑量子材料筛选方面发表重要成果；加州大学伯克利分校在光子晶体领域获得重要进展，获得2016年奥利弗.E巴克利奖），进一步选择了物理所和加州大学伯克利分校。根据这些机构的凝聚态物理的学科部署方式，选择了大部分机构共同设置的凝聚态物理的理论研究的方向作为切入点，进行机构的深入对比分析。最后确定的研究机构为物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室[6]、DOE阿贡国家实验室材料科学部的凝聚态物质理论研究组[7]、加州大学伯克利分校物理系的凝聚态物质物理和材料科学的理论研究组[8]、MIT物理系的凝聚态物质理论研究组[9]。

机构的学术竞争能力分析主要基于上述选定机构的核心科学家展开。数据包含核心科学家的论文数据和核心科学家的专业类别的数据。科学家的论文数据检索自Web of Science的SCIE数据库，论文发表时间为2010—2019年，文献类型包含研究论文、学术会议论文、综述、快报，检索时间为2020年9月3日。考虑到机构内部名字重复的可能性，采用人工校对的方式剔除了与核心科学家名字相同的非核心科学家的文献，资助机构的数据清洗以机构的全称和简称为关键词进行筛选。在机构组织结构与产出能力的基本情况、机构的合作模式、资助机构、机构学术影响力4个维度建立了分析指标，见表1。

表1 机构比较分析指标Tab．1 Comparative Analysis Index for Institutions

2.1 机构组织结构与产出能力基本情况分析

对4个机构的核心科学家的数量、专业丰富程度、SCI论文产出进行比较，以对4个机构的组织结构、产出能力的基本情况进行分析。

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室设立学术委员会、6个研究组、1个量子模拟科学中心，共计25名核心科学家（研究员和副研究员），是其他3个机构的核心科学家平均数量的2倍多；核心科学家多为物理专业，也包含材料专业，SCI论文产出数量较多（852篇）。DOE阿贡国家实验室材料科学部凝聚态物质理论研究组的核心科学家9人（1名团队负责人、8名研究人员）；伯克利分校物理系凝聚态物质物理和材料科学的理论研究组隶属于物理系的凝聚态物质物理和材料科学实验室，有10位核心科学家，上述两个机构的核心科学家的专业包含了物理和数学。MIT物理系凝聚态物质理论研究组有10位核心科学家（教职（Faculty）），专业种类较为丰富，除了物理、数学之外，还包含了化学、电气工程，另外，人均SCI论文数量较多（57.9篇）。4个机构的核心科学家的研究方向有共同聚焦的研究主题——低维凝聚态系统、纳米材料物理性质研究、量子材料与系统；也有侧重点，较为明显的是，MIT凝聚态物质理论研究组的生物领域的交叉研究、软凝聚态物质的研究（表2）。

表2 核心科学家分析Tab．2 Analysis of Core Scientists

2.2 资助机构分析

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室的主要资助机构是 NSFC、科技部（Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China，MOST）和中国科学院（Chinese Academy of Sciences，CAS）。美国的3家机构的主要资助机构均包含DOE和美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）。值得注意的是，私人基金会和军方的资助也较大地促进了研究成果的产出。西蒙斯基金会在伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组的成果产出中，发挥了重要的作用。MIT凝聚态物质理论研究组在士兵纳米技术研究所的支持下，也产出了较多的文章（138篇）（表3）。

表3 论文资助机构分析Tab．3 Analysis of Funding Institutions

2.3 合作模式分析

2.3.1 国际合作

对4个机构的国际合作情况进行比较，以分析其国际合作的广度。

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室的重要合作国家是美国，且其合作产出论文数量规模大（241篇），其次为日本（50篇）和德国（49篇）。阿贡材料科学部凝聚态物质理论研究组与英国、法国合作产出论文数量较多，分别是35篇、32篇。伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组、MIT凝聚态物质理论研究组均与中国、以色列合作产出论文数量较多（均大于40篇），其中，MIT凝聚态物质理论研究组和中国合作产出论文数量规模较大（111篇），另外，这两个机构还分别与德国和加拿大有较多合作，分别是50篇、57篇（表4）。

表4 4个机构的TOP10合作国家——基于论文数量Tab．4 Top 10 Partner Countries of Four Institutions Based on Number of Papers

2.3.2 机构合作

对4个机构的机构间合作进行比较，以分析与世界著名研究机构之间合作的广度。

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室主要依托物理所参与共建的重大项目、中科院大学进行研究（见表5）。合作论文数量分别占凝聚态物理理论研究组核心科学家论文的27.3%和25.4%。值得一提的是，量子物质科学协同创新中心是2012年由物理所和清华大学、北京大学联合启动的国家重大科研项目。松山湖材料实验室也是物理所和东莞市政府、中国科学院高能物理研究所共建的广东省省级实验室，重点研究内容为新材料和未来物质科学。在国外合作机构中，物理所与普渡大学保持着较为密切的合作，合作发表论文占核心科学家发表SCI论文总量的6.7%。

表5 物理所核心科学家的主要论文产出合作机构Tab．5 Main Cooperation Institutions of Core Scientists in Institute of physics，CAS Based on Papers

阿贡实验室和芝加哥大学、西北大学等保持着紧密的合作关系，另外，西北大学-阿贡联合科学工程研究所是由阿贡实验室与西北大学联合建立的，合作产出论文27篇（表6）。

表6 阿贡材料科学部凝聚态物质理论研究组核心科学家论文的主要合作机构Tab．6 Main Cooperation Organizations of the Core Scientists of the Theoretical Research Group of Condensed Matter，Argonne Department of Materials Science Based on Papers

伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组与劳伦斯伯克利国家实验室和伯克利卡维能源纳米科学研究所合作发表论文数量较多。这两个机构都设立在伯克利大学，但同时与其他机构有着紧密的联系。劳伦斯伯克利国家实验室隶属于DOE，由伯克利大学负责管理；卡夫利能源纳米科学研究所—伯克利[11]由卡夫利基金会设立，获得了卡夫利基金会、加州大学伯克利分校等机构的资助（表7）。

表7 伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组核心科学家论文的主要合作机构Tab．7 Main Cooperation Organizations of Core Scientists of Berkeley Condensed Matter Physics and Materials Science Theory Research group Based on Papers

MIT凝聚态物质理论研究组与世界多家著名院校合作，包括加拿大Perimeter理论物理研究所、中国的清华大学、美国的哈佛大学、以色列理工大学（表8）。

表8 MIT凝聚态物质理论研究组核心科学家论文的主要合作机构Tab．8 Main Cooperation Organizations of Core Scientists of MIT Condensed Matter Theory Research Group Based on Papers

2.3.3 作者合作情况

对各机构发文量排名前十位的核心科学家进行作者合作分析，以确定核心科学家的合作模式。综观这4个机构的作者之间的合作情况，均呈现了机构内部以独立研究为主，部分核心科学家重视多学科合作的特点，能够体现出凝聚态物理理论专业与其他学科之间广泛联系的特点。

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室核心科学家合作发文数量较少，仅有翁红明和方忠研究组、曹俊鹏和王玉鹏研究组的合作发文数量较多，分别为52篇和27篇。

阿贡材料科学部凝聚态物质理论研究组核心科学家之间合作发表论文数量较少。Olle G.Heinonen发表论文数量最多，与计算、材料科学、物理等领域的研究人员都有合作。

伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组核心科学家之间的合作集中在Jeffrey B.Neaton研究小组与Steven G.Louie研究小组之间（合作论文数量17篇）、Steven G.Louie研究小组与Marvin L.Cohen研究小组之间（合作论文数量30篇）。其中，Jeffrey B.Neaton研究小组与其他领域的科研人员保持着广泛的合作关系，专业领域涵盖了材料科学与工程、化学、计算材料科学等[12]。

MIT凝聚态物质理论研究组仅有两个小组——John D.Joannopoulos小组和Marin Soljacic小组的合作较为紧密，合作论文数量为94篇。其中，John D.Joannopoulos小组不仅与凝聚态物理理论研究组有合作，也与材料科学、应用数学、电气工程专业、士兵纳米技术研究所的研究人员保持着合作关系[13]。

2.4 学术影响力分析

学术影响力分析将从机构篇均被引次数、发文量TOP10作者中核心科学家的篇均被引次数、被引用次数最多的核心科学家的论文主题3个角度进行分析，以反映机构的整体影响力和核心竞争力。另外，还将对4个机构发表在《科学》《自然》的论文主题进行分析，作为反映机构核心竞争力的补充材料。

物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室核心科学家发文的篇均被引次数是35.3次／篇。在TOP10作者中，有两位科学家（方忠、翁红明）篇均被引次数远远高于平均篇均被引次数（表9）。

表9 物理所凝聚态理论与材料计算重点实验室核心科学家SCI论文TOP10作者的篇均被引次数（次／篇）Tab．9 Number of Citations per Article of Key Laboratory of Condensed Matter Theory and Material Computing，Institute of Physics among TOP 10 Authors Based on Papers（Times／Paper）

阿贡材料科学部凝聚态物质理论研究组的核心科学家发表论文的篇均被引次数是25.7次／篇。在这些论文中，位列发文量前十位的核心科学家有6位，其中，Olle G.Heinonen与Michael R.Norman的篇均被引次数较高（表10）。

表10 阿贡材料科学部凝聚态物质理论研究组核心科学家SCI论文TOP10作者的篇均被引次数（次／篇）Tab．10 Number of Citations per Article of Core Scientists of Condensed Matter Theory Research Group of Argonne Materials Science Department among Top 10 Authors Based on SCI papers（Times／Article）

伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组的核心科学家发表论文的篇均被引次数是64.1次／篇。核心科学家位列发文量前十位的作者有7位，Ashvin Vishwanath与Steven G.Louie的篇均被引次数较高（表11）。

表11 伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组SCI论文TOP10作者中的核心科学家的篇均被引次数（次／篇）Tab．11 Citation Times of Core Scientists of Berkeley Condensed Matter Physics and Materials Science Theory Research Group among Top 10 Anthors Based on Papers（Times／Article）

MIT凝聚态物质理论研究组核心科学家发表论文的篇均被引次数是58.0次／篇。核心科学家中有7位排在发文量前十，John D Joannopoulos和Fu Liang的篇均被引次数较高（表12）。

表12 MIT凝聚态物质理论研究组核心科学家SCI论文TOP10作者的篇均被引次数（次／篇）Tab．12 Citation Times of Core Scientists of MIT Condensed Matter Theory Research Group among Top 10 Authors Based on SCI Papers（Times／Article）

基于被引频次最高的文章的主题分析以及《自然》《科学》研究主题的分析（文章题目的原始数据见补充材料），对4个机构的优势领域进行分析（表13）。可以看到，伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组在拓扑、石墨烯、超导体等领域进行深入研究，MIT凝聚态物质理论研究组在拓扑、石墨烯、量子霍尔效应、超导体等领域进行了较为深入的研究，所取得的成果均具有较高的学术影响力。

表13 4个机构的优势研究领域——基于被引频次、《科学》《自然》论文Tab．13 Outstanding Research Areas of the Four Institutions—Based on Cited Frequency and Publications from Science and Nature

3 启示与建议

本文从机构的组织结构和产出能力、合作模式、资助机构、学术影响力4个维度对比分析了凝聚态物理理论的4个重要研究机构的竞争力。

相比于选定的美国的3个机构，选定的中国机构具有核心科学家规模大、SCI论文数量多的特征，这与我国在该领域在世界范围内发表SCI论文数量多的特征一致。中国、美国的机构的国际合作的国家不同。中国机构合作发表论文的主要国家是美国、日本、德国。美国机构合作发表论文的国家主要有中国、德国、以色列、加拿大。美国的3个机构与世界著名院校之间实现了较为广泛的合作，尤其是MIT凝聚态物质理论研究组，与多个世界著名院校有着较多的合作。美国的资助机构还表现出多元化的特征，除了美国两家著名的基础研究资助机构——NSF、DOE之外，慈善基金、军方的资助也是该领域美国这3个机构论文产出的主要支撑力量。从人均SCI论文数量、机构篇均被引次数的角度看，选定的中国机构并不占有优势，这两个指标的数值均低于伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组、MIT凝聚态物质理论研究组的相应数值。从《科学》《自然》上发表文章的主题所揭示的优势领域看，我国的选定机构在拓扑和量子研究中取得了部分高水平研究成果，而伯克利凝聚态物质物理和材料科学理论研究组、MIT凝聚态物质理论研究组在拓扑、超导、石墨烯的领域取得了较为广泛且深入的高水平研究成果。

基于上述情况，建议我国在凝聚态物理理论研究的领域，围绕现有的在凝聚态物理理论领域的优势成果，拓展研究的深度和广度。基于凝聚态物理理论研究在量子信息科学等领域的重要作用，推动军事资助机构在凝聚态物理理论研究领域的投资。通过发展优势领域等途径提升核心科学家能力并继续壮大发展研究队伍。继续拓宽国际合作的范围，争取能和更多国家、更多世界著名院校机构开展交流、合作。

基于我国在超导、拓扑物理等领域的优势，拓展研究的深度和广度。高温超导领域的挑战在于机理研究，有待准确判断是电声相互作用、电子与磁涨落的耦合、还是电子与其他元激发的相互作用导致了电子的超导配对[14]。在拓扑超导体理论中，重要的遗留问题之一是对拓扑晶体超导电性的完整理解——研究是否存在新的奇异的拓扑曲面、无序和相互作用对拓扑晶体超导体的影响、拓扑量子相变等[15]。

推动军事资助机构在凝聚态物理理论研究领域的投资。与原子分子物理学和光学物理、数学物理、计算及科学等学科一起，凝聚态物理可以通过推动量子技术的发展应用于军事领域，提升并行计算、通信安全、高精度导航、抗干扰成像等能力[16]。建议军事资助机构明确各相关学科的基础研究对量子技术的影响与推动作用，对应用研究与基础研究、各学科基础研究的资助比例进行统筹，基于凝聚态物理理论研究对量子信息科学的影响规划部署投资。凝聚态物理理论与量子信息科学密切相关的领域主要包含[17-18]：1）对相位相干性的理解。当电子被限制在纳米尺寸的结构中时，电子波的相位相干性导致了电子新的行为。2）在各种各样的固态系统中受控地产生两个粒子和最终的多个粒子纠缠，理论探索描述不同形式的纠缠以及它们在与各种类型的固态环境的相互作用中的停留时间。3）量子测量：非破坏性测量、构造磁性半导体异质结构进行灵敏量子测量等。4）理解和抑制1／f噪声现象。5）非阿贝尔物质。

和更多国家、更多世界著名院校机构开展交流、合作。通过深入研究优势领域、积极参加或举办国际学术会议、打造有影响力的国际会议等方式提升我国在该领域的科研影响力。与美国能源部国家实验室、美国伯克利大学、美国MIT、加拿大Perimeter理论物理研究所、以色列理工大学等积极开展学术交流。

致谢：在论文研究撰写过程中，中国科学院物理研究所翁红明研究员对文稿提出了宝贵的意见和建议，特此致谢。