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研究前沿丨物理学热点前沿及重点热点前沿解读 精选

已有 3349 次阅读 2017-5-18 09:19 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

科学研究的世界呈现出蔓延生长、不断演化的景象。科研管理者和政策制定者需要掌握科研的进展和动态,以有限的资源来支持和推进科学进步。洞察科研动向,尤其是跟踪新兴专业领域将对其工作产生重大的意义。


科睿唯安(Clarivate Analytics)发布了“研究前沿”(Research Fronts)数据和报告。定义一个被称作研究前沿的专业领域的办法,源自于科学研究之间存在的某种特定的共性。这种共性可能来自实验数据,也可能来自研究方法、概念或假设,并反映在科学家在论文中引用其他科学家的工作这个学术行为之中。


通过持续跟踪全球最重要的科研和学术论文,研究分析论文被引用的模式和聚类,特别是成簇的高被引论文频繁地共同被引用的情况,可以发现研究前沿。当一簇高被引论文共同被引用的情形达到一定的活跃度和连贯性时,就形成一个研究前沿,而这一簇高被引论文便是组成该研究前沿的“核心论文”。研究前沿的分析数据揭示了不同研究者在探究相关的科学问题时会产生一定的关联,尽管这些研究人员背景不同或来自不同的学科领域。


总之,研究前沿的分析提供了一个独特的视角来揭示科学研究的脉络。研究前沿的分析不依赖于对文献的人工标引和分类(因为这种方法可能会有标引分类人员判断的主观性),而是基于研究人员的相互引用而形成的知识之间和人之间的联络。这些研究前沿的数据连续记载了分散的研究领域的发生、汇聚、发展(或者萎缩、消散),以及分化和自组织成更近的研究活动节点。在演进的过程中,每组核心论文的基本情况,如主要的论文、作者、研究机构等,都可以被查明和跟踪。通过对该研究前沿的施引文献的分析,可以发现该领域的最新进展和发展方向。


2013 年,Clarivate Analytics发布了《2013 研究前沿——自然科学和社会科学的前 100 个探索领域》白皮书。2014年和2015年,Clarivate  Analytics 与中国科学院文献情报中心成立的“新兴技术未来分析联合研究中心”推出了《2014 研究前沿》和《2015 研究前沿》分析报告,引起了全球广泛的关注。


2016 年,中国科学院科技战略咨询研究院战略情报研究所,继续在《2015研究前沿》的基础上,推出《2016 研究前沿》。报告仍然以文献计量学中的共被引分析方法为基础,基于 Clarivate Analytics 的 Essential Science Indicators(ESI)数据库中的 12 188个研究前沿,遴选出 2016 年自然科学和社会科学的 10个大学科领域排名最前的 100 个热点前沿和 80 个新兴前沿。


物 理 学


热点前沿及重点热点前沿解读


物理学领域Top10 热点前沿发展态势


物理学领域位居Top 10 的热点前沿主要集中于高能物理、凝聚态物理、理论物理和光学(表1.1 和图1.1)。在高能物理方面,中微子振荡和引力波探测依然是2016 年的热点前沿,暗物质间接探测也备受关注。在凝聚态物理方面,聚焦关联量子现象的研究,包括二维黑磷材料、外尔半金属和钇钡铜氧化物超导体。理论物理方面,自驱动粒子和非线性有质量引力依然是2016 年的热点前沿,标准模型的研究也持续受到关注。在光学方面,超表面成为热点。


表1.1  物理学领域Top10 热点前沿


图1.1 物理学领域Top10 热点前沿的施引论文


重点热点前沿—— 暗物质间接探测之银河系中心伽马射线超出研究


暗物质被认为是21 世纪物理学研究最重要的问题之一。尽管天文观测已证实了暗物质的存在,但暗物质粒子的性质仍然不为人们所了解。目前,暗物质的实验探测是物理学的研究热点。暗物质的探测方法有三种:直接探测,间接探测,以及通过加速器创造出暗物质粒子。其中,间接探测主要是探测暗物质自湮灭或衰变的产物,如伽马射线、中微子、正电子、反质子等。银河系中心被认为是暗物质最亮的源,是暗物质间接探测最有前景的目标之一。近几年,对费米伽马射线太空望远镜得到的数据的研究发现,银河系中心在千秒差距范围内有伽马射线超出,目前很有吸引力的一种解释是这一现象可能来自暗物质粒子湮灭。

在这个热点前沿中, 美国表现最活跃,是核心论文的主要产出国家(表1.2)。49 篇核心论文中,美国参与的有33 篇,占核心论文总量的67.3%,远远超过其他国家。法国、荷兰、印度和中国等也有不错的表现。核心论文产出最多的机构是费米国家加速器实验室和芝加哥大学,产出机构中来自美国的有5 所,荷兰、中国、英国、意大利各有1 所。49篇核心论文的通讯作者中,有25 位来自美国,其后是印度,有4 位,中国和荷兰各有3 位。


表1.2 “暗物质间接探测之银河系中心伽马射线超出研究”研究前沿中核心论文的Top 产出国家和机构

表1.3 “暗物质间接探测之银河系中心伽马射线超出研究”研究前沿中施引论文的Top 产出国家和机构


分析热点前沿施引论文的国家和机构(表1.3),可以发现,美国也是最活跃的国家,参与的施引论文有230 篇,占施引论文总量的54.5%。其后是德国,参与了64 篇施引论文,占施引论文总量的15.2%;法国、中国和意大利紧随其后。施引论文总量排名Top 10 的机构中,费米国家加速器实验室和芝加哥大学的施引论文最多,分别为67 篇和57 篇,占施引论文总量的15.9% 和13.5%,随后是意大利国家核物理研究所、加利福尼亚大学圣克鲁兹分校和中国科学院。


重点热点前沿——单层/ 多层黑磷的特性及其应用


近年来,类石墨烯二维材料,如二硫化钼等过渡金属硫化物、硅烯等,由于其独特的微观结构和物理特性,成为了研究的热点。然而,目前研究的大部分二维材料都存在一定的缺点。2014 年,中国科学技术大学的陈仙辉团队和复旦大学的张远波团队等制备出基于二维黑磷单晶的场效应晶体管。两周后,美国普渡大学的Peide Ye 团队也制备出二维黑磷场效应晶体管。二维黑磷材料兼具石墨烯和过渡金属硫化物的优点,其出现引起了全世界的广泛关注,成为继石墨烯和过渡金属硫化物后又一个未来纳米电子应用的候选者。黑磷的特性研究是《2015 研究前沿》的新兴前沿之一,2016 年,“单层/ 多层黑磷的特性及其应用”进一步成为热点前沿。


在25 篇核心论文中,被引频次最高的是上述中国团队的论文,为466 次。其后是同期美国团队的论文,被引频次为406 次。这两篇核心论文的被引频次远高于其他核心论文。从国家来看(表1.4),美国是该前沿最活跃的国家,参与的核心论文有17 篇,占核心论文总量的68.0%,紧随其后的是中国和荷兰。


表1.4 “单层/ 多层黑磷的特性及其应用”研究前沿中核心论文的Top 产出国家和机构


表1.5 “单层/ 多层黑磷的特性及其应用”研究前沿中施引论文的Top 产出国家和机构


分析施引论文的国家和机构(表1.5),可以发现,中国是最活跃的国家,参与的施引论文有283 篇,占施引论文总量的43.6%。其后是美国,参与的施引论文有238 篇,占施引论文总量的36.7%。随后是新加坡,参与了78 篇施引论文,占施引论文总量的12.0%。施引论文总量排名前10 的机构均来自这3 个国家,其中,中国科学院的施引论文最多,为64篇,占施引论文总量的9.9%。其后是新加坡国立大学、中国科学技术大学和新加坡南洋理工大学。

新兴前沿及重点新兴前沿解读


新兴前沿概述


物理学领域有10 项研究入选新兴前沿,主要集中于高能物理、凝聚态物理和理论物理(表1.6)。高能物理方面包括高级激光干涉引力波天文台和宇宙暴胀模型的相关研究,凝聚态物理方面关注的是过渡金属硫化物、硒化铁超导体和分数陈绝缘体的特性研究,理论物理方面包括引力理论、周期驱动量子体系、超弦理论等研究。


表1.6 物理学领域的10 个新兴前沿


重点新兴前沿——分数陈绝缘体的实验实现


从20 世纪80 年代被发现到获诺贝尔物理学奖,直到现在,分数量子霍尔效应都是凝聚态物理的前沿研究领域之一。分数量子霍尔效应的实现需要非常强的磁场和极低温,这限制了它的应用。近年来,理论研究发现,在无外加磁场的条件下,可以在拓扑平带中实现分数量子霍尔效应。这种无外加磁场时出现的分数量子霍尔效应,被称为分数量子反常霍尔效应,能实现这种现象的体系被称为分数陈绝缘体。分数陈绝缘体有可能在未来的拓扑量子计算中得到应用。最近,不少研究工作聚焦于分数陈绝缘体的实验实现。瑞士苏黎世联邦理工学院的Tilman Esslinger 团队在周期性调制的二维蜂窝光晶格中应用超冷原子实验实现了霍尔丹模型,德国慕尼黑大学的Immanuel Bloch 团队等在二维光学超晶格中应用超冷原子实验实现了霍夫施塔特模型,这两项工作都有助于分数陈绝缘体的实验实现,引起了广泛的关注。



本文摘编自由中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心、英国科睿唯安著《2016研究前沿及分析解读》第1、8章,内容有删减。


(本期编辑:安静)

2016研究前沿及分析解读

中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心、英国科睿唯安

北京:科学出版社  2017.03

ISBN  978-7-03-052209-2


2016研究前沿及分析解读》以文献计量学中的共被引分析方法为基础,基于科睿唯安的Essential Science Indica-tors(ESI) 数据库中的12188个研究前沿,首先,遥选出2016年自然科学和社会科学的10个大学科领域排名最前的100个热点前沿和80个新兴前沿,重点选择一些研究前沿进行详细统计分析和解读;其次,以高度概括的视角对美国、英国、德国、法国、中国和日本六国在180个前沿的基础贡献水平和潜在发展水平进行评估描述;最后,在10个领域分别展开中国和美国在100个热点前沿和80个新兴前沿参与情况的比较分析,以期较为全面地掌握中国与美国这一科技强国的差距与优势。


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