本系教師的研究分佈於許多尖端的研究領域，研究方向兼顧理論與實驗，純粹物理與應用物理之均衡發展，例如粒子物理、天文物理、原子分子與光學物理、微波與電漿物理、理論與實驗凝體物理等。在這些領域中，本系教師的研究涵蓋了廣泛且前沿的各項主題，例如在凝體物理領域中有強關聯系統、電子自旋學、奈米元件與物理、超快與非線性光學、表面物理、高溫超導、軟物質以及同步輻射應用等等，在原子、分子與光學物理中包括了雷射冷卻、量子光學、波斯愛因斯坦凝結、精密雷射光譜等等，電漿物理中有電子迴旋邁射及高功率次兆赫波源等，在天文物理中則包括了太陽物理、恆星與行星形成、超新星、緻密星體、高能天文物理、星系與星系團形成、以及宇宙學。理論粒子物理研究主題則有超對稱粒子、電荷宇稱對稱性破壞、微中子物理、多維時空、粒子天文物理與宇宙論等。

前瞻量子技術研究中心於民國一百零七年成立於清大，以清華為基礎，跨系、跨院與跨校整合國內量子技術與量子物質方面的專家與技術，並結合國際的專家，共同發展即將來臨之二次量子革命量子的核心相關技術。利用物理系以氣體原子及光子為系統的量子技術優勢，再結合物理系在前瞻固態材料系統的傑出研究成果與經驗，開創能夠實現量子技術且應用性高的固態量子材料。發展方向以可能實現量子電腦及量子通訊的冷原子/光子系統與量子材料為平台，發展相關量子技術。

本系研究方向可分為下列重點領域：
  原子、分子、光學物理與光電物理
  理論凝體物理
  高能/粒子物理
  實驗凝體物理
  天文物理
  軟物質/非線性物理
  微波物理
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