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扎根三晉大地,感悟磁學(xué)魅力 | 許小紅

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|作者:許小紅
(山西師范大學(xué))

本文選自《物理》2026年第3期


引子:一份意外的邀約與漫長(zhǎng)的回望

接到《物理》編輯部的約稿邀請(qǐng),讓我回顧并寫下自己的科研經(jīng)歷,我既感榮幸,又感慨萬千。作為一個(gè)本碩博都是材料學(xué)科出身的學(xué)子,我所從事的研究卻與凝聚態(tài)物理領(lǐng)域相關(guān)。正是這份邀請(qǐng),促使我停下腳步,仔細(xì)回望來路——我發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)鮮明特征:學(xué)科的邊界日益模糊,重大突破往往誕生于交叉地帶。對(duì)我個(gè)人而言,與物理的“結(jié)緣”,雖起步稍晚,卻是一場(chǎng)深刻而充滿驚喜的旅程,它重塑了我的科研視野,也定義了我后半程的學(xué)術(shù)生涯。

在此,我愿意將這些年在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域(自旋電子學(xué)與磁學(xué))的探索與收獲講述給大家,希望能與那些在非傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)環(huán)境中堅(jiān)持夢(mèng)想、在交叉領(lǐng)域摸索前行的青年學(xué)子,特別是女性科研工作者,分享一些或許可供參考的體驗(yàn)。


啟蒙與轉(zhuǎn)折——叩開物理科學(xué)之門

我的童年和少年時(shí)期,烙著鮮明的時(shí)代印記。小學(xué)的教育方式與今天迥異,課堂學(xué)習(xí)常與生產(chǎn)勞動(dòng)相結(jié)合。那段歲月讓我很早就體會(huì)到,知識(shí)的獲取需要主動(dòng)學(xué)習(xí)與不懈堅(jiān)持。

小學(xué)畢業(yè)時(shí),因?yàn)閭€(gè)子高,我被選拔到市少年體育學(xué)校,一年后又進(jìn)入省少體校,專攻籃球。那是一段專注于體能訓(xùn)練的短暫時(shí)光。然而,我內(nèi)心始終縈繞著對(duì)書本和靜思的偏好,于是我決定回歸普通校園。那時(shí),同齡人都已上初二,我堅(jiān)持要求跳級(jí)跟上。父母起初并不同意,他們對(duì)我未來的學(xué)業(yè)沒有太高期望,但拗不過我的執(zhí)著,只好讓步?,F(xiàn)在回想,那可能是我人生中第一次重要的自主抉擇,帶著懵懂的倔強(qiáng),卻為我打開了通往知識(shí)世界的大門。

初中畢業(yè)后,我進(jìn)入了本市最好的高中,并于1984年考入天津大學(xué),專業(yè)是無機(jī)非金屬材料。天津大學(xué)“實(shí)事求是”的校訓(xùn),從此成為我行事為學(xué)的底色。在本科階段,我系統(tǒng)學(xué)習(xí)了材料學(xué)科的基礎(chǔ),但接觸的物理課程相對(duì)有限,主要是普通物理、材料物理、材料力學(xué)等課程。后來,我在北京科技大學(xué)攻讀碩士、在西安交通大學(xué)攻讀博士,都是在材料科學(xué)與工程學(xué)院。盡管碩士期間學(xué)習(xí)了固體物理、量子力學(xué)等課程,但我深知自己的物理功底依然薄弱。那時(shí),我對(duì)物理的感覺是“神秘而高不可攀”,每每聆聽物理領(lǐng)域的專家學(xué)術(shù)報(bào)告,總是充滿羨慕與敬佩。

真正的轉(zhuǎn)變發(fā)生在博士后階段。我在華中科技大學(xué)從事博士后研究,開始接觸到磁學(xué)這一凝聚態(tài)物理的重要分支。隨后,我先后前往英國(guó)謝菲爾德大學(xué)物理系、日本東北大學(xué)電氣通信研究所進(jìn)行博士后研究和訪問交流。這兩段海外經(jīng)歷,如同一把鑰匙,為我真正開啟了物理世界的大門。

在英國(guó),我的合作導(dǎo)師是Gillian Gehring教授,她是當(dāng)時(shí)英國(guó)為數(shù)不多的物理學(xué)女教授,學(xué)識(shí)淵博,曾獲大英帝國(guó)勛章。2004年前后,稀磁半導(dǎo)體研究方興未艾,Gehring教授敏銳地捕捉到這一前沿方向。她治學(xué)極其嚴(yán)謹(jǐn),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反復(fù)驗(yàn)證。最讓我受益的是她深厚的物理功底——她習(xí)慣于用一連串嚴(yán)密的物理公式來分析和推演實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的機(jī)理。同時(shí),她也是一位充滿愛心的導(dǎo)師。我初到謝菲爾德,人生地不熟,她邀請(qǐng)我在她家中住了半個(gè)多月,直到我找到合適的住處。這份溫暖,讓我在異國(guó)他鄉(xiāng)迅速安定下來。更難得的是,在我回國(guó)后的連續(xù)十年里,她每年都來山西師范大學(xué)訪問指導(dǎo),為我后來組建團(tuán)隊(duì)、確定研究方向、開展深入研究奠定了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。她是我科研生涯中至關(guān)重要的引路人和支持者。


2012年,作者(前排右一)給來訪的G. Gehring教授講述實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

在日本東北大學(xué)Hideo Ohno教授的課題組,時(shí)間雖短,卻給我留下了刻骨銘心的印象。那是一個(gè)世界頂尖的團(tuán)隊(duì),氛圍嚴(yán)謹(jǐn)?shù)浇蹩量?。我?dāng)時(shí)主要研究磁電阻效應(yīng)。課題組負(fù)責(zé)材料生長(zhǎng)的是一位助理教授,他每天清晨7點(diǎn)前就身著潔凈服進(jìn)入超凈間生長(zhǎng)薄膜,中午出來吃個(gè)飯,緊接著又去超凈間,直到晚上七八點(diǎn)鐘才出來。我們這個(gè)小組一位博士后是韓國(guó)人,他負(fù)責(zé)在整個(gè)晶圓上選點(diǎn)測(cè)量室溫磁電阻,而我則負(fù)責(zé)高低溫磁電阻測(cè)試。由于焊電極是個(gè)精細(xì)活,再加上降溫升溫過程時(shí)間漫長(zhǎng),每天工作12小時(shí)往往只能完成兩個(gè)樣品的測(cè)試。每晚,我們?nèi)藭?huì)聚在一起討論數(shù)據(jù),決定第二天的薄膜生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)參數(shù),就像一個(gè)精益求精的流水線。最終,我們制備出了當(dāng)時(shí)世界上磁電阻值最高的自旋閥樣品。那段經(jīng)歷讓我深刻體會(huì)到,頂級(jí)的研究不僅需要智慧,更需要極致的專注、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮f(xié)作和日復(fù)一日的堅(jiān)持。


扎根與深耕——組建磁性材料研究團(tuán)隊(duì)

國(guó)外學(xué)習(xí)結(jié)束后,我回到山西師范大學(xué)繼續(xù)科研工作。當(dāng)時(shí)我們學(xué)校還在臨汾,地理位置偏僻,交通不便,實(shí)驗(yàn)條件非常簡(jiǎn)陋,引進(jìn)人才更是困難重重。可以說,一切從零開始。

就是在這樣艱苦的條件下,我著手組建磁性薄膜材料研究團(tuán)隊(duì)。我們購(gòu)置的第一臺(tái)設(shè)備是國(guó)產(chǎn)磁控濺射儀,當(dāng)時(shí)學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限,我們把自己所有的經(jīng)費(fèi)拿出來,還借了其他老師的經(jīng)費(fèi)才勉強(qiáng)湊夠。有了設(shè)備大家都欣喜若狂,然而很快就遭受了一個(gè)沉重的打擊,Co或Fe磁性靶根本無法起輝。原因主要是經(jīng)驗(yàn)不足,沒有安裝強(qiáng)磁靶,我們只好自己動(dòng)手改造,想辦法用電磁靶來解決磁性靶材的濺射問題。沒有室內(nèi)冷水機(jī),就在地下室建造了一個(gè)5噸重的大水箱,通過抽水來循環(huán)散熱。盡管條件艱苦,但團(tuán)隊(duì)的熱情不減。學(xué)校也盡其所能給予了支持,通過幾年積累,我們實(shí)驗(yàn)室終于擁有了一臺(tái)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、一臺(tái)X射線衍射儀,也使得我們所制備的材料結(jié)構(gòu)和磁性表征有了著落。

為了讓團(tuán)隊(duì)的青年教師和研究生們系統(tǒng)學(xué)習(xí)磁性理論,我想方設(shè)法聘請(qǐng)了數(shù)十位國(guó)內(nèi)外知名教授來校講學(xué)指導(dǎo),甚至專門請(qǐng)清華大學(xué)的韋丹教授為團(tuán)隊(duì)講授了一個(gè)暑假的磁性物理學(xué)課程。這些一點(diǎn)一滴的積累,也為我們?cè)诖艑W(xué)領(lǐng)域的研究打下一定基礎(chǔ)。

我的研究方向隨著學(xué)術(shù)積累和國(guó)際前沿動(dòng)態(tài)而不斷演進(jìn)。受博士后導(dǎo)師華中科技大學(xué)李佐宜教授指導(dǎo)與啟發(fā),我們?cè)缙阱^定了L10-FePt和CoPt等磁存儲(chǔ)薄膜的研究。經(jīng)過多年摸索,制備出了磁晶各向異性常數(shù)連續(xù)變化的交換耦合梯度介質(zhì),并利用圖形化手段獲得了交換耦合梯度圖形化納米點(diǎn)陣,這對(duì)解決垂直磁記錄中熱穩(wěn)定性、寫入場(chǎng)和信噪比相互制約的“三難問題”具有重要意義。

2005年,《科學(xué)》雜志將“能否制備出室溫下工作的磁性半導(dǎo)體”列為125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。從英國(guó)回來后,我們立即投身于這一前沿研究。開始采用脈沖激光沉積方法制備ZnO等氧化物稀磁半導(dǎo)體薄膜,但始終受困于摻雜均勻性和磁性起源等核心問題。在充分文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上,我們嘗試采用n-p共摻雜方案,這種方法既可以調(diào)控氧化物能帶結(jié)構(gòu),也可有效抑制磁性原子團(tuán)簇和第二相雜質(zhì)的形成,最終制備出了居里溫度高于室溫的均相稀磁半導(dǎo)體薄膜。直到今天,我們?nèi)栽谕卣惯@一方向,近期更多地聚焦于本征二維磁性材料體系。

在日本接受的嚴(yán)格科研訓(xùn)練,使得自旋電子材料與器件成為我們團(tuán)隊(duì)的重要方向。在自旋流、軌道流、磁子流等方面,我們都開展了探索性研究,并牽頭主持了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家區(qū)域聯(lián)合基金集成項(xiàng)目。近年來,我們?cè)诮档头D(zhuǎn)電流密度、實(shí)現(xiàn)無磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)、調(diào)控磁子傳輸效率等方面取得了一些進(jìn)展,例如實(shí)現(xiàn)了軌道流驅(qū)動(dòng)磁矩?zé)o場(chǎng)垂直翻轉(zhuǎn)、自旋流驅(qū)動(dòng)手性反鐵磁材料無場(chǎng)垂直翻轉(zhuǎn)等,并大幅降低了信息寫入的臨界電流密度。期待這些工作能為下一代磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(SOT-MRAM)的材料優(yōu)化與器件設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)力量。


2018年,作者在新加坡參加Intermag會(huì)議

團(tuán)隊(duì)的成長(zhǎng)離不開平臺(tái)的支撐。2010年,在時(shí)任校長(zhǎng)武海順教授的帶領(lǐng)下,我們成功獲批了“磁性分子與磁信息材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。這個(gè)平臺(tái)如同一個(gè)孵化器,不僅產(chǎn)出科研成果,更培養(yǎng)了大批人才,并先后孵化出化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)與工程三個(gè)博士點(diǎn)。我于2010年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助,直到2023年我都是山西省唯一的女性杰青。2019年,我接任實(shí)驗(yàn)室主任,經(jīng)歷兩次教育部評(píng)估均獲“良好”評(píng)價(jià)。目前,實(shí)驗(yàn)室已引進(jìn)和培養(yǎng)5名國(guó)家級(jí)人才,成為山西師范大學(xué)的學(xué)術(shù)高地和靚麗名片,也是山西省乃至全國(guó)在該領(lǐng)域的重要研究與人才培養(yǎng)基地。

2021年,山西師范大學(xué)整體搬遷至太原,辦學(xué)條件和地域優(yōu)勢(shì)得到極大改善。近幾年,國(guó)家“兩新兩重”政策支持高校儀器設(shè)備以舊換新,更使我們的實(shí)驗(yàn)室如虎添翼?;赝麃頃r(shí)路,從臨汾到太原,從三臺(tái)設(shè)備到教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái),我深切感到,個(gè)人的堅(jiān)守與時(shí)代的機(jī)遇、地方的需求與國(guó)家的戰(zhàn)略,只有同頻共振,才能奏出最激昂的樂章。


輻射與服務(wù)——助力山西稀土永磁產(chǎn)業(yè)

作為一所地方高校的科研工作者,我始終認(rèn)為,我們的研究不應(yīng)該停留在論文和實(shí)驗(yàn)室里,更要服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)。稀土永磁材料是國(guó)家戰(zhàn)略性關(guān)鍵材料,山西的稀土永磁產(chǎn)業(yè)曾位列全國(guó)前三。盡管近年來有所滑落,但仍占全國(guó)約10%的產(chǎn)量。如何用我們的技術(shù)助力本土產(chǎn)業(yè)升級(jí),是我和團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期思考的問題。

為此,我們團(tuán)隊(duì)的幾位教師和學(xué)生常年深入企業(yè),針對(duì)燒結(jié)釹鐵硼磁體生產(chǎn)中的具體技術(shù)難題,仔細(xì)分析工藝流程,找出關(guān)鍵癥結(jié),確定解決方案。我們與企業(yè)合作,主持山西省“揭榜掛帥”項(xiàng)目,致力于推動(dòng)低重稀土晶界擴(kuò)散技術(shù)和低成本多主相磁體研發(fā)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前,我們已建成20公斤級(jí)的中試產(chǎn)線,相關(guān)技術(shù)成果已在省內(nèi)多家磁材企業(yè)得到應(yīng)用和轉(zhuǎn)化,有效提升了企業(yè)的產(chǎn)品性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

為了更系統(tǒng)、更廣泛地搭建產(chǎn)學(xué)研橋梁,我們牽頭組建了先進(jìn)磁性材料與技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心和山西省材料研究學(xué)會(huì),并積極參與組建山西省磁材行業(yè)協(xié)會(huì)和磁材產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體。這些平臺(tái)有力地促進(jìn)了高校、科研院所與企業(yè)之間的信息互通、技術(shù)對(duì)接和人才共享,形成了“需求牽引、協(xié)同攻關(guān)、成果共享”的良好生態(tài)。看到實(shí)驗(yàn)室里的構(gòu)想最終轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)線上的產(chǎn)品,看到學(xué)術(shù)論文中的參數(shù)變?yōu)楫a(chǎn)品性能的提升,這種“把論文寫在三晉大地上”的成就感,是任何獎(jiǎng)項(xiàng)都無法替代的。


平衡與擔(dān)當(dāng)——多重角色的交響曲

作為女性科研工作者,同時(shí)又先后擔(dān)任了山西師范大學(xué)校長(zhǎng)的管理職務(wù),我常被問到一個(gè)問題:“您是如何平衡科研、管理和家庭的?”說實(shí)話,我從未刻意去尋求一種理論上的、靜態(tài)的“平衡”。在我看來,人生更像一部多聲部的交響樂,每個(gè)階段都有其主旋律。當(dāng)你真心熱愛你所做的每一件事,并愿意為之全情投入時(shí),你自然會(huì)找到屬于自己的節(jié)奏。

擔(dān)任校長(zhǎng),意味著肩負(fù)起一所大學(xué)發(fā)展的整體責(zé)任。這不僅僅是行政職務(wù),更是一份沉甸甸的使命。我需要思考學(xué)校的學(xué)科布局、人才戰(zhàn)略、辦學(xué)特色,尤其在山西師范大學(xué)從臨汾整體搬遷至太原這一重大歷史轉(zhuǎn)折期,如何穩(wěn)定人心、凝聚共識(shí)、抓住機(jī)遇實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,是擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)課題。推動(dòng)學(xué)校與地方經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展深度融合,將學(xué)校的科研人才優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為服務(wù)山西轉(zhuǎn)型發(fā)展的實(shí)際能力,也是我作為校長(zhǎng)持續(xù)思考并著力推進(jìn)的重點(diǎn)工作。此外,在學(xué)校治理、民生保障、基礎(chǔ)建設(shè)等方面也傾注了大量的心血。這些宏觀的戰(zhàn)略謀劃與復(fù)雜的組織協(xié)調(diào),占據(jù)了我大量的時(shí)間和精力。


2022年,作者在北京參加全國(guó)“兩會(huì)”

然而,我始終堅(jiān)守在科研一線。科研工作培養(yǎng)的嚴(yán)謹(jǐn)邏輯、對(duì)前沿的敏銳洞察以及在攻堅(jiān)克難中鍛煉的韌性,使我能夠在學(xué)校管理中更注重遵循教育科研規(guī)律,更善于把握學(xué)科發(fā)展趨勢(shì),在決策時(shí)多一份基于實(shí)證的審慎和長(zhǎng)遠(yuǎn)眼光。同時(shí),校長(zhǎng)崗位所賦予的廣闊視野、資源整合能力以及對(duì)區(qū)域發(fā)展需求的深刻理解,又反過來啟迪我的科研工作,既瞄準(zhǔn)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿,也始終關(guān)注其與國(guó)家重大戰(zhàn)略、山西產(chǎn)業(yè)升級(jí)的結(jié)合點(diǎn),思考如何將實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新成果更有效地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。

在家庭中,我是一位妻子,也是一位母親。我的家人,特別是我的先生,給予了毫無保留的理解與支持,我們之間早已形成了默契,彼此尊重對(duì)方的事業(yè)追求。家人的包容、擔(dān)當(dāng)與愛,是我在最忙碌、壓力最大時(shí)最溫暖的港灣和最堅(jiān)實(shí)的后盾。我深信,責(zé)任的履行并非時(shí)間的簡(jiǎn)單分割,而是情感的深度投入與效率的極致提升。

從大學(xué)畢業(yè)來到山西師范大學(xué),三十多年彈指一揮間。我感恩在這片黃土地上得到的一切成長(zhǎng)機(jī)遇,也感恩得到了多位院士專家以及無數(shù)師長(zhǎng)同仁的指導(dǎo)與幫助。他們的提攜與肯定,讓我在科學(xué)探索的道路上走得更加堅(jiān)定。科研的成就讓我在治校辦學(xué)中更有底氣,而辦學(xué)治校的歷練,也讓我在帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)、謀劃學(xué)科發(fā)展時(shí),更能理解制度、文化與環(huán)境的重要性。

這份多重角色的磨礪與積累,也讓我有機(jī)會(huì)在更廣闊的平臺(tái)上發(fā)揮作用。我先后當(dāng)選為黨的十八大代表和十三屆全國(guó)人大代表,這既是榮譽(yù),更是沉甸甸的責(zé)任。它讓我能夠從國(guó)家和地方的層面,為科技政策、教育發(fā)展、女性成長(zhǎng)等議題建言獻(xiàn)策,努力將基層科研工作者和教育工作者的心聲與訴求傳遞上去。

2025年,我榮獲“謝希德物理獎(jiǎng)”,這對(duì)我而言是莫大的鼓勵(lì)。謝希德先生不僅是卓越的物理學(xué)家,也是杰出的教育家和管理者,她的成就與精神一直激勵(lì)著我。這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),不僅是對(duì)我個(gè)人在物理相關(guān)領(lǐng)域探索的認(rèn)可,也是對(duì)致力于科學(xué)研究的女物理工作者的勉勵(lì)。它仿佛在告訴我,這些不同的角色并非必然沖突,它們可以在統(tǒng)一的追求下——即對(duì)真理的探索、對(duì)人才的培養(yǎng)、對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)——和諧地融為一體,奏出屬于自己的人生交響曲。

回望來時(shí)路,無論是面對(duì)專業(yè)轉(zhuǎn)型時(shí)的堅(jiān)定選擇,還是在艱苦條件下的不懈堅(jiān)持;無論是在服務(wù)國(guó)家區(qū)域發(fā)展中的持續(xù)探索,還是在平衡多重角色時(shí)的從容應(yīng)對(duì),都讓我深切認(rèn)識(shí)到,真正的科研之路,從不由性別定義,也不會(huì)被起點(diǎn)所限。如果你心中有光,對(duì)某個(gè)領(lǐng)域懷有真誠(chéng)的好奇與熱情,那就請(qǐng)堅(jiān)定地走下去。用執(zhí)著對(duì)抗浮躁,以堅(jiān)韌面對(duì)困難,在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中汲取力量,在時(shí)間沉淀中實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)。愿每一位在科研道路上探索的女性,都能在專業(yè)領(lǐng)域深耕細(xì)作,厚積薄發(fā),最終走出一條堅(jiān)實(shí)而從容的科研之路。


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期刊介紹

01

《物理》是由中國(guó)科學(xué)院物理研究所和中國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊,注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合,秉承“輕松閱讀,享受物理”的辦刊理念,集學(xué)科大家之力,追蹤物理學(xué)成果,服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域,促進(jìn)學(xué)科交叉,讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國(guó)眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

作者:眾多活躍在科研、教學(xué)一線的院士、專家。

讀者:物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科(如化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)等)的研究人員、教師、技術(shù)開發(fā)人員、科研管理人員、研究生和大學(xué)生,以及關(guān)注物理學(xué)發(fā)展的讀者。

欄目:特約專稿、評(píng)述、熱點(diǎn)專題、前沿進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、研究快訊、物理攫英、物理學(xué)史和物理學(xué)家、物理學(xué)漫談、物理教育、人物、科學(xué)基金、物理新聞和動(dòng)態(tài)、書評(píng)和書訊等。

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