物理領域之研究前沿與學術表現說明

導讀
本文運用ESI資料庫,整理物理學領域論文引用的全球國家、研究機構排名及該領域重要的研究前沿主題。就物理學領域進行研究議題的趨勢探討,以瞭解該領域最受關切及注意的研究主題,以觀察科技的發展並預測及研判科技趨勢的動向,其中值得吾人注意的發展熱點,包括拓樸絕緣體、奈米雷射(nanolaser)、石墨烯、奈米結構熱電效應等,均具備顛覆現有科技的破壞力與創造新需求及新技術的可能性。

前言

物理學的發展一直是科技發明突破的基礎,很多創新發明多能溯源自物理原理的應用、譬如對電磁學的瞭解讓人類掌握電磁相生的原理,使我們掌握了如何控制電磁與動力的變化,對能源的運用擺脫了畜力、水力、蒸氣等傳統動力來源,邁向電力時代,促進文明的進展。固態物理能帶(energy band)理論加強人們對固態物質的理解,進一步促進了半導體物理的發展,進而帶動電子、通訊、光電等高度發展。因此物理學不但奠定了科學的發展,也為科學技術革新開闢了新道路。並進而改變人類的生活形態與樣貌。

因此如何尋找物理學發展的熱點,就是一項值得吾人思考的課題。運用現有文獻發表成果,進行研究課題相似性的比較,並且運用引用率較高的文獻進行統計及刪除低引用率的文獻,因此高引用率的論文背後的意義通常代表(1)具有歷史意義或是突破性成果的文獻、(2)引用其研究方法或實驗技術、(3)研究成果/論點的認可或比較等。因此透過高引用率論文的整理及群聚(clustering)的確有可能協助吾人找出相關領域的研究熱點。

本文利用Thomson Reuters公司所開發的ESI(Essential science indicators;基本科學指標)資料庫中的研究前沿(Research Front)資料庫,針對物理領域,進行一個簡單的梳理與盤點。本文整理物理學領域之國家排名、機構排名以及研究前沿供使用者參考。所整理之資料更新期限為:2003/01/01~2013/04/30,為ESI最新更新之資料。

依據ESI對物理領域的定義範疇包含了:與物理相關的課題,同時也包括了數學物理、粒子與核物理、流體學、電漿物理、量子物理、理論物理、應用物理、光學、聲學、材料物理、凝聚態物理等子領域。

1.物理領域之國家排名

ESI針對150個國家發表於十年內文章被引用次數Top 50%進行排名1,本文針對物理領域進行整理,其結果見表1:

表1.全球Top20國家在物理領域之論文發表數量排序(本研究整理)

排名 國家/地區 論文數量 被引用數 平均被引用數
1 USA 美國 224,401 3,060,573 13.64
2 PEOPLES R CHINA中國 158,525 1,009,052 6.37
3 JAPAN 日本 108,837 959,198 8.81
4 GERMANY 德國 105,666 1,279,508 12.11
5 FRANCE 法國 76,187 819,397 10.76
6 RUSSIA 俄羅斯 73,968 489,247 6.61
7 ENGLAND 英格蘭 55,482 728,778 13.14
8 ITALY 義大利 51,215 530,793 10.36
9 SOUTHKOREA南韓 44,890 323,490 7.21
10 INDIA 印度 39,901 270,459 6.78
11 SPAIN 西班牙 35,268 392,787 11.14
12 CANADA 加拿大 29,723 344,250 11.58
13 POLAND 波蘭 26,293 197,166 7.5
14 TAIWAN 中華民國 24,335 171,508 7.05
15 SWITZERLAND 瑞士 23,049 346,834 15.05
16 BRAZIL 巴西 22,090 165,909 7.51
17 AUSTRALIA 澳大利亞 18,055 190,335 10.54
18 NETHERLANDS 荷蘭 17,709 269,596 15.22
19 SWEDEN 瑞典 15,398 178,618 11.6
20 UKRAINE 烏克蘭 14,014 67,094 4.79

全球的物理學領域論文發表數量的前三名國家分別為美國、中國與日本;我國則排名第14,唯我國論文的平均被引用數仍優於論文數排序高於我國的中國、俄羅斯與與印度。國家排序是以全球151個國家地區來作為比較標的。

2.物理領域之機構排名

Esi針對發表於十年內文章被引用次數Top 1%的研究機構進行排序1,本文針對物理領域的研究機構進行排序,其結果見下表2:

表2.全球Top20 研究機構論文發表數量排序

排名 機構 論文數量 被引用數 平均被引用數
1 Chinese Acad Sci 36,464 298,973 8.2
2 Russian Acad Sci 31,597 176,764 5.59
3 Max Planck Society 18,871 305,610 16.19
4 Univ Tokyo 15,890 202,889 12.77
5 Ist Nazl Fis Nucl (意大利) 13,914 178,691 12.84
6 CNRS (法國;The Centre National de la RechercheScientifique) 12,563 147,601 11.75
7 Tohoku Univ 10,957 127,530 11.64
8 CEA (法國:Commissariat à l'énergieatomique et aux énergies alternatives; the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) 10,788 158,155 14.66
9 Osaka Univ 9,528 92,264 9.68
10 Kyoto Univ 9,194 101,719 11.06
11 MIT (美國:Massachusetts Institute of Technology) 9,178 186,160 20.28
12 Univ Calif Berkeley 8,689 177,148 20.39
13 Moscow Mv Lomonosov State Univ 8,468 60,045 7.09
14 Univ Paris Sud 11 8,431 117,515 13.94
15 Tsing Hua Univ 7,915 63,830 8.06
16 JST (日本) 7,861 96,194 12.24
17 Univ Sci & Technol China 7,559 74,533 9.86
18 Univ Cambridge 7,524 131,465 17.47
19 Los Alamos Natl Lab 7,260 119,367 16.44
20 Univ Pierre & Marie Curie 7,111 97,701 13.74

在機構表現上,以中國科學院、俄羅斯科學院、Max Planck Society的表現為最優。不過前兩者的論文平均被引用數仍低於大部份西方國家的研究機構。顯示後進國家仍有進步的空間。唯日本在物理領域共有五個機構佔據排行內,包括四所大學(東京大學、東北大學、大阪大學、京都大學)及一個法人機構(JST日本科學技術振興機構),顯示日本在物理領域的研究實力及人才分佈廣度。

3.物理研究前沿

ESI 將國際過去五年中物理領域的論文,從其參考文獻(references)及註解(footnotes)達到高引用門檻值的共同被引文獻出發,通過群聚分析(Cluster Analysis),形成群聚1。每一個群聚即是一個研究前沿,代表該領域的研究熱點及關切的方向,本文檢索此資料庫整理物理領域的研究前沿,該領域的前沿數量高達681項,本文就十項高被引用數的前沿進行解讀,以瞭解物理學領域的可能重要研究主題。表3為整理成果:

表3 .重要之研究前沿主題

Fronts(關鍵字) 論文數量 被引用數 平均被引用數 Mean Year
鐵基系列超導體物性研究 Unconventional Superconductivity; Superconductivity Close; Spin-Singlet Superconductivity; Bulk Superconductivity; Iron-Based Layered Superconductor 46 19,041 413.93 2008.3
成長大面積石墨烯薄膜方法 Graphene Growth; Uniform Large Area Graphene; Large-Area Graphene Films; Uniform Graphene Films; Wafer Scale Homogeneous Bilayer Graphene Films 46 11,167 242.76 2009.8
石墨烯奈米帶、其邊緣鋸齒特性 Edge-Oxidized Zigzag GrapheneNanoribbons; Nitrogen-Doped Zigzag GrapheneNanoribbons; Edge-Modified Zigzag GrapheneNanoribbons; Disordered GrapheneNanoribbons; Form GrapheneNanoribbons 41 10,282 250.78 2008.6
新電子材料—拓璞絕緣體(可作為矽基電子材料之代替品) Topological Surface States Protected; Quantum Spin Hall Insulator State; Topological Insulator Bi2te3; Topological Dirac Insulator; Topological Insulators 23 9,801 426.13 2009
奈米結構材料的熱電效應研究(能源利用) Bulk Nanostructured Thermoelectric Materials; High Performance Inxceyco4sb12 Thermoelectric Materials; High-Performance Nanostructured Thermoelectric Materials; Bulk Thermoelectric Materials; Enhanced Thermoelectric Performance 35 7,192 205.49 2009.3
阻抗開關式記憶體(取代flash與dram) Metal Oxide Resistive Switching Memory; Tio2 Resistive Switching Memory; Nanoionics-Based Resistive Switching Memories; Redox-Based Resistive Switching Memories; Unipolar Resistive Switching Characteristics 46 6,133 133.33 2009.6
暗物質 High Positron Rate Dark Matter Models Annihilating; Secluded Wimp Dark Matter; Cosmological Dark Matter Annihilation; Leptonically Decaying Dark Matter; Secluded Dark Matter 45 5,994 133.2 2009
隱形斗蓬之聲學/光學機制 Broadband Acoustic Cloak; Complementary Media Invisibility Cloak; Cylindrical Invisibility Cloak; Experimental Acoustic Ground Cloak; Broadband Transformation Optics Lens 47 5,836 124.17 2008.8
量子資訊、光-機空腔應用以及量子理論於巨觀物體下的應用 Quantum Ground State; Optomechanical Quantum Information Processing; High Fidelity Quantum State Transfer; Nanometre-Scale Photonic-Crystal Optomechanical Cavity; Ground State Cooling 49 5,595 114.18 2009.4
運用surface plasmon (spaser)等機制實現奈米雷射 Plasmonic Resonances; Individual Coherent PlasmonicNanocavities; Self-Assembled Plasmonic Nanoparticle Clusters; Ring/Disk PlasmonicNanocavities; Silicon-Based Hybrid Plasmonic Waveguide 45 5,380 119.56 2009.8

其中值得吾人注意的發展熱點,包括拓樸絕緣體、奈米雷射(nanolaser)、石墨烯、奈米結構熱電效應等,均具備顛覆現有科技的破壞力與創造新需求及新技術的可能性。

奈米雷射的發展在運用spaser(surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation受激輻射發射引致表面電漿放大)原理上取得重大突破,2009年,由Rupert F. Oulton等跨國團隊成功運用MgF2-CdS奈米線-銀薄膜結構,成功激發出489nm波長的雷射2,2011年台灣團隊果尚志教授成功運用MOS(金屬-氧化物-半導體)奈米結構製造出光激發光的奈米雷射3。奈米雷射的用途廣寬,可應用在量子資訊、生物感測、光子元件等。

此外拓樸絕緣體是一種可能取代矽基半導體,成為新一代更快更有效率的晶片製造材料。它的明確特徵是可能讓電子在表面上移動而不消秏能量,美國華裔物理學家張首晟預測數種Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3化合物能夠在室溫下成為拓樸絕緣體,此一預測隨即被實驗證實4。張教授也因相關的研究成果獲得「歐洲物理獎」、「奧利弗巴克利獎(Oliver Buckley)」、「狄拉克獎」等國際物理學界重要頂級獎項。不過拓樸絕緣體並不能成為超導體或是製作成高效的電源傳輸線,因為它們只能承載非常小的電流,這使這種材料能夠用來製作新形態的電晶體或自旋電子元件,從而可能取代目前現有的矽基半導體元件。

4.結論

運用研究前沿的結果判讀其實質意含,吾人可以從研究前沿中發現一些具有重大意義的研究成果,證實研究前沿的方法的確能夠蒐整出學研界的研究熱點,唯目前本文所判讀的成果只是驗証已知的議題,因此如何在600多項的研究前沿中找出目前仍不被廣知的議題是值得吾人努力的方向。

延伸閱讀