很多科學(xué)研究可以從儀器、材料和發(fā)現(xiàn)3個方面去理解。儀器是研究工具，材料是研究對象，發(fā)現(xiàn)是研究目標。

這里的“儀器”可以是實驗工具、理論工具，也可以是實驗方法或理論方法；材料”可以是生命科學(xué)中的生命體，也可以是物質(zhì)科學(xué)中的非生命體。多數(shù)科學(xué)研究要寄托在這些材料基礎(chǔ)之上；“發(fā)現(xiàn)”主要指科學(xué)發(fā)現(xiàn)，可以是理論研究的發(fā)現(xiàn)，也可以是實驗研究的發(fā)現(xiàn)。

與此同時，科學(xué)研究可以從3個層次——發(fā)明、拓展和應(yīng)用去理解。發(fā)明/發(fā)現(xiàn)階段的突破為科學(xué)界帶來新的理論、視角和工具，拓展階段的研究將這些新發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實際解決方案，而應(yīng)用階段的研究則進一步深化和擴展這些發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用范圍和影響力，可用于促進經(jīng)濟社會發(fā)展、提高人民的幸福生活水平。這3個層次的關(guān)系可更直觀地表述為：“發(fā)明”解決的是“從0到1”的問題；“拓展”解決的是“從1到10”的問題；“應(yīng)用”解決的是“從10到100”的問題。每個層次的研究都具有獨特的重要意義和作用。

“儀器、材料、發(fā)現(xiàn)”均可切分出“發(fā)明、拓展、應(yīng)用”3個層次。在“儀器”這一領(lǐng)域，以掃描隧道顯微鏡（STM）為例。掃描隧道顯微鏡是在1981年由德國科學(xué)家格爾德·賓寧和瑞士科學(xué)家海因里?！ち_雷爾發(fā)明的。掃描隧道顯微鏡使人類可以實現(xiàn)原子分辨測量，這對于表面物理研究等領(lǐng)域的推動作用是極大的，是一個非常偉大的發(fā)明。隨后，在20世紀90年代，得益于納米科學(xué)的興起，掃描隧道顯微鏡作為原子尺度的科學(xué)利器，出現(xiàn)了多個方面的拓展：其中一個是來自IBM公司（International Business Machines Corporation）實驗室的唐·艾格勒所做的原子操縱，另一個是華人科學(xué)家何文程所實現(xiàn)的化學(xué)分辨。其他方面的技術(shù)拓展還有時間分辨/超高真空/高壓STM、近場光學(xué)顯微鏡、低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，這些非常強大的表征工具都是因掃描隧道顯微鏡的發(fā)明而逐漸發(fā)展起來的。

2013年，我們團隊首次在實驗上觀測到量子反?；魻栃?yīng)，在美國物理學(xué)家霍爾于1881年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)132年后，首次實現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)的量子化。從科學(xué)發(fā)現(xiàn)的角度來說，這是物理學(xué)領(lǐng)域的一項重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)兼?zhèn)淞藘x器的拓展、新材料的制備與新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。我們開發(fā)了超高真空分子束外延—掃描隧道顯微鏡—角分辨光電子能譜聯(lián)合系統(tǒng)，制備了拓撲絕緣體，發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)，完整展現(xiàn)了科學(xué)研究在3個層次演變的全貌。這也表明，科學(xué)研究實際上是一個相互聯(lián)系、相互促進的復(fù)雜過程。