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國際科學技術前沿報告2020 版權信息
- ISBN：9787030703200
- 條形碼：9787030703200 ; 978-7-03-070320-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
國際科學技術前沿報告2020 本書特色
適讀人群 ：政府科技管理部門和科研機構的科研管理人員、科技戰略研究人員和相關科技領域的研究人員等本書采取了領域戰略研究專家和科技戰略情報研究人員的合作研究模式，研發對策建議可操作性強，適合政府科技管理部門和科研機構的科研管理人員、科技戰略研究人員和相關科技領域的研究人員等閱讀。
國際科學技術前沿報告2020 內容簡介
本書從基礎前沿交叉、空間光電、信息、材料、能源、生物、人口健康、農業、海洋、資源與生態環境等重要科技領域及重大基礎設施、數據與計算平臺，選擇凝聚態物理、系外行星探測、碳基電子技術、人機協作機器人、氫能與燃料電池、DNA存儲技術、生物大數據、人造肉、河口區陸海交互作用研究、關鍵礦產資源、射電天文望遠鏡、未來芯片技術等12個科技創新前沿領域、前沿學科、熱點問題或技術領域，逐一對其進行靠前研究發展態勢的全面系統分析，剖析這些前沿領域和熱點學科或科學問題的靠前整體進展狀況、研究動態與發展趨勢、靠前競爭發展態勢，并提出我國開展這些相關前沿領域和熱點問題研究的對策建議，為我國這些領域的科技創新發展的布局、研究決策等提供重要的咨詢依據，為相關科研機構開展這些科技領域的研究部署提供靠前相關領域科技發展的重要參考背景。 本書所闡述的科技前沿領域或熱點問題，選題新穎，具有前瞻性，資料數據翔實，分析全面透徹，采取了科技戰略情報研究人員與領域戰略研究專家合作的研究模式，有關研究與發展的對策建議可操作性強，適合政府科技管理部門和科研機構的科研管理人員、科技戰略研究人員和相關科技領域的研究人員等閱讀。
國際科學技術前沿報告2020 目錄
目錄
前言
1 凝聚態物理國際發展態勢分析 1
1.1 引言 1
1.2 凝聚態物理相關戰略、路線圖、計劃、項目 6
1.3 凝聚態物理論文計量分析 18
1.4 凝聚態物理發展趨勢 26
1.5 總結與建議 28
參考文獻 29
2 系外行星探測國際發展態勢分析 32
2.1 引言 32
2.2 系外行星探測歷史和現狀 33
2.3 各國家/地區系外行星研究規劃及政策 37
2.4 國際系外行星研究的重大設施項目 42
2.5 近期系外行星探測的重大進展突破 53
2.6 系外行星研究及應用論文分析 56
2.7 總結與建議 62
參考文獻 64
3 碳基電子技術國際發展態勢分析 68
3.1 引言 68
3.2 戰略規劃與發展路線 69
3.3 碳基電子技術研究現狀與趨勢 84
3.4 碳基電子技術文獻計量分析 88
3.5 總結與建議 93
參考文獻 95
4 人機協作機器人國際發展態勢分析 97
4.1 引言 97
4.2 國內外人機協作機器人政策解析 99
4.3 國內外人機協作機器人研究項目分析 109
4.4 人機協作機器人專利技術分析 119
4.5 人機協作機器人論文計量分析 127
4.6 總結與建議 132
參考文獻 134
5 氫能與燃料電池國際發展態勢分析 139
5.1 引言 140
5.2 主要國家/組織戰略布局 141
5.3 關鍵前沿技術與發展趨勢 149
5.4 研發創新能力定量分析 161
5.5 我國發展現狀及對策建議 165
參考文獻 168
6 DNA存儲技術國際發展態勢分析 175
6.1 引言 176
6.2 國際規劃與舉措 177
6.3 DNA存儲技術研究現狀 182
6.4 計量分析 186
6.5 產業發展現狀 197
6.6 總結與建議 201
參考文獻 203
7 生物大數據領域國際發展態勢分析 207
7.1 引言 208
7.2 生物大數據概念范疇及特點 208
7.3 國際生物大數據領域相關政策舉措及法律法規 209
7.4 文獻計量分析生物大數據領域發展態勢 220
7.5 生物大數據領域技術體系分析 224
7.6 總結與建議 237
參考文獻 239
8 人造肉領域國際發展態勢分析 241
8.1 引言 242
8.2 人造肉領域國際戰略布局 244
8.3 人造肉領域基礎研究態勢分析 247
8.4 人造肉領域技術開發態勢分析 258
8.5 人造肉領域產業發展現狀分析 274
8.6 總結與建議 278
參考文獻 279
9 河口區陸海交互作用研究國際發展態勢分析 282
9.1 引言 283
9.2 國際河口區陸海交互作用研究 285
9.3 河口區陸海交互作用研究的文獻計量分析 293
9.4 河口區陸海交互作用研究趨勢與熱點分析 304
9.5 對中國河口區陸海交互作用研究的建議 306
參考文獻 306
10 關鍵礦產資源研究國際發展態勢分析 308
10.1 引言 310
10.2 國內外關鍵礦產資源研究現狀 311
10.3 關鍵礦產研究態勢分析 325
10.4 我國關鍵礦產研究未來需求 335
10.5 總結與建議 337
參考文獻 338
11 射電天文望遠鏡國際發展態勢分析 341
11.1 引言 341
11.2 主要國家/地區射電天文望遠鏡與研究項目 342
11.3 從論文看射電天文研究的現狀和趨勢 354
11.4 射電天文發展趨勢 362
11.5 結論與建議 365
參考文獻 366
12 未來芯片技術國際發展態勢分析 368
12.1 引言 368
12.2 各國/組織未來芯片研發戰略與規劃 370
12.3 未來芯片研究現狀與趨勢 390
12.4 未來芯片技術研發態勢分析 397
12.5 總結與建議 406
參考文獻 408
彩圖
前言
1 凝聚態物理國際發展態勢分析 1
1.1 引言 1
1.2 凝聚態物理相關戰略、路線圖、計劃、項目 6
1.3 凝聚態物理論文計量分析 18
1.4 凝聚態物理發展趨勢 26
1.5 總結與建議 28
參考文獻 29
2 系外行星探測國際發展態勢分析 32
2.1 引言 32
2.2 系外行星探測歷史和現狀 33
2.3 各國家/地區系外行星研究規劃及政策 37
2.4 國際系外行星研究的重大設施項目 42
2.5 近期系外行星探測的重大進展突破 53
2.6 系外行星研究及應用論文分析 56
2.7 總結與建議 62
參考文獻 64
3 碳基電子技術國際發展態勢分析 68
3.1 引言 68
3.2 戰略規劃與發展路線 69
3.3 碳基電子技術研究現狀與趨勢 84
3.4 碳基電子技術文獻計量分析 88
3.5 總結與建議 93
參考文獻 95
4 人機協作機器人國際發展態勢分析 97
4.1 引言 97
4.2 國內外人機協作機器人政策解析 99
4.3 國內外人機協作機器人研究項目分析 109
4.4 人機協作機器人專利技術分析 119
4.5 人機協作機器人論文計量分析 127
4.6 總結與建議 132
參考文獻 134
5 氫能與燃料電池國際發展態勢分析 139
5.1 引言 140
5.2 主要國家/組織戰略布局 141
5.3 關鍵前沿技術與發展趨勢 149
5.4 研發創新能力定量分析 161
5.5 我國發展現狀及對策建議 165
參考文獻 168
6 DNA存儲技術國際發展態勢分析 175
6.1 引言 176
6.2 國際規劃與舉措 177
6.3 DNA存儲技術研究現狀 182
6.4 計量分析 186
6.5 產業發展現狀 197
6.6 總結與建議 201
參考文獻 203
7 生物大數據領域國際發展態勢分析 207
7.1 引言 208
7.2 生物大數據概念范疇及特點 208
7.3 國際生物大數據領域相關政策舉措及法律法規 209
7.4 文獻計量分析生物大數據領域發展態勢 220
7.5 生物大數據領域技術體系分析 224
7.6 總結與建議 237
參考文獻 239
8 人造肉領域國際發展態勢分析 241
8.1 引言 242
8.2 人造肉領域國際戰略布局 244
8.3 人造肉領域基礎研究態勢分析 247
8.4 人造肉領域技術開發態勢分析 258
8.5 人造肉領域產業發展現狀分析 274
8.6 總結與建議 278
參考文獻 279
9 河口區陸海交互作用研究國際發展態勢分析 282
9.1 引言 283
9.2 國際河口區陸海交互作用研究 285
9.3 河口區陸海交互作用研究的文獻計量分析 293
9.4 河口區陸海交互作用研究趨勢與熱點分析 304
9.5 對中國河口區陸海交互作用研究的建議 306
參考文獻 306
10 關鍵礦產資源研究國際發展態勢分析 308
10.1 引言 310
10.2 國內外關鍵礦產資源研究現狀 311
10.3 關鍵礦產研究態勢分析 325
10.4 我國關鍵礦產研究未來需求 335
10.5 總結與建議 337
參考文獻 338
11 射電天文望遠鏡國際發展態勢分析 341
11.1 引言 341
11.2 主要國家/地區射電天文望遠鏡與研究項目 342
11.3 從論文看射電天文研究的現狀和趨勢 354
11.4 射電天文發展趨勢 362
11.5 結論與建議 365
參考文獻 366
12 未來芯片技術國際發展態勢分析 368
12.1 引言 368
12.2 各國/組織未來芯片研發戰略與規劃 370
12.3 未來芯片研究現狀與趨勢 390
12.4 未來芯片技術研發態勢分析 397
12.5 總結與建議 406
參考文獻 408
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國際科學技術前沿報告2020 節選
1 凝聚態物理國際發展態勢分析 呂鳳先 劉小平 趙建（中國科學院文獻情報中心） 摘要凝聚態物理的研究對象包含液體、固體、液晶、玻璃、溶膠、分子間距較小的稠密氣體等。凝聚態物理具體研究其中的由大量微觀粒子（原子、分子、離子、電子等）組成的凝聚態微觀結構、粒子間的相互作用和運動規律，從而理解材料整體的力、熱、光、電、磁等物理特性。凝聚態物理不僅包含半導體物理、磁學、電介質物理、金屬物理等傳統學科分支，還包含準晶物理學、團簇物理、關聯電子體系物理、介觀物理與無序體系物理等新分支。 凝聚態物理研究日常生活、工業生產、航空航天、量子信息技術、未來能源、先進制造業所需要的材料，是國家信息和能源發展戰略的基礎學科，具有重要的戰略意義。 美國、英國、歐盟、韓國、中國等國家/組織通過發布戰略﹑計劃或路線圖對凝聚態物理研究進行了頂層規劃。美國國家科學基金會（NSF）和能源部（DOE）、歐洲研究理事會（ERC）、英國工程與自然科學研究理事會（EPSRC）、中國國家自然科學基金委員會（NSFC）等機構均對凝聚態物理項目進行了持續資助。 中國科學家在新型鐵基高溫超導材料、拓撲物態、提高鈣鈦礦太陽能轉換效率等領域取得了重要進展。基于科學引文索引（SCI）論文的定量分析表明，中國在凝聚態物理領域的科研活動活躍，具有較高的學術影響力。基于中國及世界其他主要國家的發展情況，建議在拓撲序描述、拓撲現象觀測、拓撲相、電極等方面加強研究，并加大各研究領域的聯系，在凝聚態物理的量子器件與材料領域加大投入力度。 關鍵詞 凝聚態物理 戰略 項目 文獻計量 趨勢 1.1 引言 物質常見的三態是氣態、液態和固態。其中，液態和固態物質屬于凝聚態物質的范疇。除了這兩種物質狀態，介于其間的狀態（液晶、玻璃、溶膠等），以及分子間距較小的稠密氣體也都屬于凝聚態物質的范疇。凝聚態物理主要研究這些物質中的由大量微觀粒子（原子、分子、離子、電子等）組成的凝聚態微觀結構、粒子間的相互作用和運動規律，從而理解材料整體的力、熱、光、電、磁等物理特性。構成凝聚態物質的粒子的內稟屬性和空間運動具有多個自由度，而凝聚的形式又可以在外場的作用下呈現多種變化，展現出豐富、復雜又迷人的物理現象。 據美國物理學會（American Physical Society，APS）網站介紹凝聚態物理于1978年取代了固體物理學科這一物理學分支，是現在*大的一個物理學分支學科（APS，2021）。因而凝聚態物理的研究范疇不僅包含傳統固體物理學所擁有的各分支，如半導體物理、磁學、金屬物理等，還包含眾多新分支，如準晶物理學、團簇物理、電子體系物理、介觀物理與無序體系物理等（鄧韜，2019）。該學科具有強調基礎研究，但又不脫離技術應用的特征。 凝聚態物理研究日常生活和工業生產中需要的材料，也研究航空航天等領域需要的特殊材料，在材料、信息和能源等領域具有重要的社會意義和戰略意義。其與其他物理學分支、計算機科學、化學和生物學等有密切的交叉與融合。凝聚態物理的思想，比如自發對稱破缺，在粒子物理的發展中起到至關重要的作用；反之，凝聚態物理中的準粒子等概念則借鑒于粒子物理。凝聚態物理中每個新材料和新現象的發現，都有可能誘發或產生一個新的學科方向或領域，孕育一個新的行業應用。 1.1.1 基于諾貝爾物理學獎的凝聚態物理發展情況 從諾貝爾物理學獎的學科分類統計數據看，截至2017年，凝聚態物理、理論物理、高能物理、粒子物理、原子與原子核物理、實驗及應用物理占據了大部分獎項。20世紀80年代以后，凝聚態物理領域獲得多次諾貝爾獎（教育部科技發展中心，2018）。 1901年以來，被授予諾貝爾獎的凝聚態物理的研究內容主要有：液氦物理性質和理論研究（1913年）、將 X射線衍射技術（1915年）和中子衍射技術（1994年）應用于結晶學、金屬在受熱后發射電子的機制（1928年）、BCS理論①（1972年）、超導體的約瑟夫森效應（1973年）、半導體中的量子霍爾效應（1985年）、與相變有關的臨界現象的重整化理論（1982年）、整數量子霍爾效應（1985年）、高溫超導體（1987年）、超流體（1996年）、分數量子霍爾效應（1998年）、玻色-愛因斯坦凝聚態的研究（2001年）、巨磁阻效應（2007年）、石墨烯材料（2010年）、拓撲相變以及物質的拓撲相的理論發現（2016年）等。在以上研究中，中子衍射技術、高分辨率共振非彈性X射線衍射作為重要設施，促進了凝聚態物理的重要發現。 下文將對上述玻色-愛因斯坦凝聚態、高溫超導體、拓撲物態、超流體領域的重要進展進行綜述。 1.1.1.1 玻色-愛因斯坦凝聚態研究的重要進展 2010年，德國漢諾威大學研發出一種新儀器，內部安裝有原子芯片、螺線管、激光器和攝像頭，能夠在失重條件下獲得玻色-愛因斯坦凝聚態（科技部，2010）。2013年11月，英國和澳大利亞科學家組成的科研團隊提出了一種新方法，能更好地測量玻色-愛因斯坦凝聚態，以及消除因觀察而產生的加熱效應。具體地說，就是通過一種過濾器和反饋系統來控制非共振光加熱效應，形成了對玻色-愛因斯坦凝聚態的純冷卻。未來，該項研究在基礎科學領域的運用包括：精確測量重力的原子激光器，研究黑洞霍金輻射模型，探測潛艇、井下儲倉和其他危險環境等（劉霞，2013）。2014年9月，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室生產了玻色-愛因斯坦凝聚態（NASA，2017）。除了在對玻色-愛因斯坦凝聚態的制備和測量方面取得的進展，其性質研究（Feng et al.，2019）和基于玻色-愛因斯坦凝聚態的準粒子的研究（Yan et al.，2020）也取得了重要進展。 1.1.1.2 高溫超導體的重要進展 氫化鑭在170萬 atm①、250K（.23.15℃）條件下呈現超導性。2019年，德國馬克斯 普朗克化學研究所的米哈伊爾 葉列梅茨（Mikhail Eremets）與其同事在250K溫度下實現了氫化鑭的超導性：在相當于170萬 atm下，氫化鑭表現出溫度下降時電阻下降的特性；可以用更重的同位素替換樣品中的元素來影響超導轉變溫度；目前第三條證據，即邁斯納效應正在研究之中。2020年，研究人員通過調整這一材料體系的組成，將超導轉變溫度提高到287K（13.85℃）。 高溫超導現象的理論探索。俄羅斯科學院應用數學研究所的物理學家維克托（Viktor Lakhno）認為平移不變雙極化子氣體理論是高溫超導理論的基礎。根據他的理論，可以通過降低載流子有效質量、提高聲子頻率、提高雙極化子濃度的方式提高臨界溫度。中國科學院物理研究所向濤等指出，建立新的多體量子理論體系是研究高溫超導機理的必要條件（向濤，2017）。 1.1.1.3 拓撲物態的重要進展 1980年，克勞斯 馮 克利欽（Klaus von Klitzing）教授在高質量半導體界面中的二維電子氣里發現了量子霍爾效應，并因此獲得了1985年度諾貝爾物理學獎。量子霍爾效應被認為是一個對基本物理常數有重大意義的固體宏觀量子效應，該發現是20世紀以來凝聚態物理和有關新技術綜合發展所取得的重要成果。2005年，美國科學家凱恩（C. L. Kane）、張首晟等提出量子自旋霍爾效應，從而開啟了對具有量子自旋霍爾效應的拓撲絕緣體的研究。2010～2013年，中國科學院物理研究所與張首晟合作提出磁性離子摻雜拓撲絕緣體薄膜以實現量子反常霍爾效應的方案，清華大學和中國科學院物理研究所聯合組成的實驗團隊在世界上首次觀測到了量子反常霍爾效應。2013～2015年，中國科學院物理研究所、牛津大學、普林斯頓大學等研究組織通過理論預測和實驗測量，發現了狄拉克半金屬、外爾半金屬等拓撲半金屬體系，從而把拓撲物態分類從絕緣體推廣到了金屬，使得拓撲物態成為凝聚態物質的第二大分類方式。因此，2016年諾貝爾物理學獎被授予20世紀80年代在理論上發現物質拓撲相及其相變的三位物理學家。1987年，哈佛大學從理論上預言了三維體系中可能存在三維量子霍爾效應，并給出了它的物性特征。2018年底，中國科學家利用楔形拓撲半金屬砷化鎘納米片，在低溫強磁場實驗條件下，通過對不同厚度朗道能級的研究，觀測到基于外爾軌道的新型三維量子霍爾效應。2019年，中國科學家與新加坡﹑美國的科學家合作，在五碲化鋯塊體單晶材料中首次觀測到三維量子霍爾效應（Tang et al.，2019）。中美科學家以拓撲量子化學理論為基礎，設計自動化流程，在自然界中篩選出可能具有拓撲結構的材料，改變了拓撲量子材料的研究范式。2019年，新加坡南洋理工大學與浙江大學的研究團隊，基于籠目格（kagomé lattice）研發并展示了二階聲學拓撲絕緣體。該類拓撲絕緣體能夠進行四極子極化，并具有可量子化的非平庸體拓撲瓦尼爾中心（Xue et al.，2019）。與此研究相似，紐約城市大學城市學院從理論和實驗上證明了三維印刷二維聲學元結構可以具有非平凡的體拓撲極化特性，并且具有獨特的聲學特性，可以容納一維邊和瓦尼爾型的二階零維角態（Ni et al.，2019）。 1.1.1.4 超流體的研究進展 1937年，蘇聯物理學家卡皮查（P. Kapitza）發現，將液氦4He的溫度冷卻至2.17 K以下時，它能夠很快流過0.5μm寬的玻璃狹縫。他將這種沒有黏滯性的流體性質稱為超流，即一種可與超導媲美的宏觀量子效應。20世紀40年代，物理學家昂薩格（L. Onsager）、蘭道（L. Landau）、費曼（R. Feynman）等在理論上發現，旋轉超流體宏觀波函數中存在拓撲奇異點，原子會圍繞這些拓撲奇異點做旋轉運動—量子渦旋。繼而，量子渦旋成為超流性質*直接的證據。戴維 李（D. Lee）、奧謝羅夫（D. Osheroff）、理查森（R. Richardson）等將液氦3He冷卻至2.5 mK以下，并首次觀測到費米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學獎。1995年，康奈爾、維曼、克特勒等利用超冷原子（康奈爾和維曼使用銣原子，克特勒使用鈉原子）實現了玻色超流體。2005年，美國麻省理工學院制備出高溫費米子超流體，并實際觀測到超流體的運動，研究人員將屬于費米子的鋰同位素6Li的原子蒸氣冷卻到億分之五開①，并觀察到超流體現象（科技部，2005）。2016年，中國科學技術大學實現了質量不平衡的玻色.費米雙超流體②，在10 nK的極低溫條件下，獲得了高達150萬鋰原子和20萬鉀原子的雙超流體（中國科學技術大學，2016）。 1.1.2 基于重要獎項的主要國家的凝聚態物理發展情況 在凝聚態物理領域，各國主要獎項可以在一定程度上反映國家層面凝聚態物理的主要進展。 2009～2020年，美國在自旋相關隧穿、準晶理論、角分辨光發射光譜、拓撲絕緣體、磁性納米結構控制、石墨烯非傳統電子性質、超導體.絕緣體轉變、應變量子激光器、光子晶體、拓撲序理論、無序材料物理和跳躍導電性、石墨烯超導等研究中獲得重要突破（表1-1）。 表1-1 2009～2020年奧利弗 E.巴克利獎 2011～2018年，歐洲在微觀結構理論、化學平衡和動力學理論、流體中的量子過程理論、疏水性理論、玻璃化理論、自旋冰中磁單極子、氧化物界面電子液體、 MnSi磁斯格明子相、高分辨率共振非彈性 X射線散射等領域取得重要進展（表1-2）。 表1-2 2011～2018年歐洲物理學會（EPS）頒發的凝聚態物理研究的獎項* 表1-3 2009～2019年英國物理學會（IOP）在凝聚態物理領域頒發的獎項 中國科學家在新型鐵基高溫超導材料、拓撲物態等領域取得了重要進展。①鐵基高溫超導：中國科學技術大學和中國科學院物理研究所先后在國際上突破麥克米蘭極限溫度（表1-4），分別發現43K的氟摻雜
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