本所物理学科的主要研究领域是原子分子物理、光学、无线电物理、精密测量物理和理论物理，研究范畴是通过电磁辐射(从射频到光频)与原子分子体系的相互作用，研究原子分子的结构、动力学及其环境效应。
本学科依托于波谱与原子分子物理国家重点实验室、中国科学院原子频标重点实验室等国家和省部级科研平台，是中国科学院“冷原子物理中心”的组建单位之一，拥有完备的实验平台，硬件水平已接近国际先进水平。
本学科汇聚了一批优秀的科技人才。现有院士1名，国家杰出青年基金获得者2名、国家优秀青年基金获得者1名，业已形成一支梯队合理、结构优化、活力迸发的人才队伍。
本学科学术气氛浓厚，国际、国内学术交流广泛。曾多次主办国内外学术会议，为推动原子分子物理学的发展做出了重要贡献。
报考专业070201理论物理070203原子分子物理070207光学070208无线电物理
085238电子与通信工程
研究方向
冷原子物理
冷原子物理涉及到物质奇异的量子特性，在精密物理测量以及量子信息等领域具有广泛的应用。近二十年来，冷原子物理一直是国际物理学的前沿与交叉研究领域。中科院武汉物理与数学研究所是国内较早开展冷原子物理研究的单位之一。依托于中科院武汉物理与数学研究所、上海光学精密机械研究所的中科院“冷原子物理中心”已经成为了我国开展原子分子物理基础及应用研究的实验基地。
本方向开展玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）、超冷玻色－费米混合气体、单原子量子调控、基于原子的精密测量等理论和实验研究。
近年来，实现了红失谐和蓝失谐光阱中单原子的激光囚禁和原子阵列的旋转；通过激光操控一个铷-87原子和一个铷-85原子，在微米尺度的光阱中实现了两个异核原子的受控冷碰撞，获得了铷-85和铷-87原子基态碰撞损失速率目前最为精确的数据；研制成功喷泉式高精度原子干涉仪（简称十米原子干涉仪），为开展更高精度的等效原理检验实验提供了精密测量平台，该平台是目前国际上仅有的两台大型喷泉式原子干涉仪之一（另一台在美国斯坦福大学）；提出并实现了一种四频双衍射拉曼冷原子干涉方案，用铷-85和铷-87两种原子干涉仪完成了微观世界的比萨斜塔实验，通过测量两种原子重力加速度来检验弱等效原理，实验精度达到10-8，实现了微观粒子等效原理迄今为止最精确的实验检验。积累了一批技术和人才资源，建成了在国际上占有一席之地的冷原子物理研究团队，为我国冷原子物理、技术和应用研究做出了重要贡献。
原子分子超快过程
本方向主要研究超快强光场下原子分子物理新现象和新效应；基于超快光场的原子分子过程实时精密探测及操控；以及外静电磁场下的原子高激发态的光谱特征及动力学行为。
精密测量物理
精密测量物理是交叉学科，物理量测量值的有效数字每提高一位，往往预示着物理效应或自然规律新的发现和认识，现代物理学就是在不懈地追求精密中发展起来的。原子/离子光钟具有非常高的频率测量精度，适合于研究精细结构常数可能的变化。
原子频率标准原理与技术
磁共振理论及实验方法
本方向结合无线电技术、当代核磁共振波谱学、射频电子学、计算机及自动控制等领域的最新技术，来提高磁共振灵敏度、优化采样方法、增强探测效率，为物理、化学、生物和医学研究提供磁共振理论方法和实现技术的支持。
本方向所依托的波谱与原子分子物理国家重点实验室、国家大型科学仪器武汉磁共振中心等国家和省部级科研平台，拥有以850MHz谱仪为核心的、国内规模最大的磁共振研究平台。在方法学研究和仪器自主研制等方面发挥了国家大型科学仪器平台作用：曾自主研制出世界上频率最高、微波功率最大的动态核极化谱仪（DNP）；在国际上首次报道了脉冲傅里叶变换的次谐波核磁共振现象、稀薄氙气体的氙-129激光增强核磁共振信号；发展了拉曼磁共振波谱学；揭示了磁共振实验中辐射阻尼效应这一基本物理现象的本质；建立的生物核磁共振溶剂（水）峰抑制方法（W5）和水下峰信号的获取方法（RECUR）；发展了一系列用于蛋白质侧链动力学测定方法、活体内ATP合成速率的测定方法、生物分子扩散和相互作用的研究方法（DMSE）等。其中部分方法和技术已被主要磁共振谱仪厂商(Bruker,Varian)作为标准方法提供给用户。
量子光学与原子光学
本方向以光与原子的相互作用为导向，开展量子光学与原子光学理论、方法和应用研究。包括冷原子量子相干特性、原子干涉仪及应用、原子芯片、量子信息、基于原子体系的量子仿真、量子计算。
本方向在国内独具特色和优势，冷原子干涉仪及应用研究方面处于全国领先地位。经过多年积累，取得了一系列高水平科研成果：研制成功小型冷原子重力仪，利用原子重力仪实现对固体潮的连续观测；将冷原子干涉仪应用于重力及重力梯度精密测量，取得了标志性阶段成果；发展了一系列具有自主知识产权的关键技术，为进一步研制实用化的冷原子重力（梯度）仪，促进技术转化奠定了技术和知识产权基础；设计研制的高精度原子重力仪参加了2017年国际绝对重力仪比对；利用光-原子相干操控技术，通过里德堡阻塞实现了两同位素原子纠缠，为实现中性原子量子逻辑门奠定了基础。
原子分子物理理论
本方向包括量子多体和少体问题、原子分子与外场相互作用、电子强关联、量子信息等诸多研究课题。这些问题一直是原子分子物理的重点研究内容，对凝聚态物理、冷原子实验物理、精密测量、量子信息等领域有着至关重要的作用。
本方向为实验研究提供强有力的理论支持，有利于发展与世界接轨的理论平台，从而更好地根据实验需求发展理论以及用理论结果来指导实验。