1980年09月—1984年07月，在山東大學光學系激光專業學習，獲得理學學士學位。
1987年09月—1990年07月，在中國科學院物理研究所凝聚態物理專業進行研究生學習，獲得理學碩士學位。
1990年09月—1994年08月，在入中國科學院物理研究所凝聚態物理專業學習，獲得中國科學院物理研究所理學博士學位 。
1992年06月—1994年06月，作為中日聯合培養學生，在日本東北大學金屬材料研究所學習。
1984年09月，在曲阜師范大學物理系任職。
1994年09月—2001年03月，前往日本東北大學金屬材料研究所工作，擔任日本文部省教官、助手。
1998年08月，入選中國科學院百人計劃，在中國科學院物理所工作，擔任研究員、博士生導師。
1999年03月，擔任凝聚態物理中心SF4研究組組長。
1999年09月，擔任中國科學院表面物理國家重點實驗室主任。
2000年02月—2000年03月，前往瑞士IBM蘇黎世實驗室做訪問科學家
2000年09月，加入中國共產黨。
2001年12月—2002年01月，前往香港大學物理系做訪問教授。
2004年06月，擔任國家納米科學中心首席科學家。
2005年11月，當選中國科學院院士。
2006年04月—2010年06月，進入清華大學物理系工作，擔任教授、博士生導師，系副主任。
2008年，擔任北京郵電大學電子工程學院院長。
2010年07月—2013年03月，擔任清華大學理學院院長、物理系主任。
2011年，擔任臨沂大學凝聚態物理研究所所長。
2013年03月—2013年05月，擔任清華大學校長助理、科研院院長、理學院院長、物理系主任。
2013年05月—2020年12月，擔任清華大學黨委委員、常委、副校長。
2013年07月，擔任中共清華大學委員會委員、常委。
2017年，擔任北京量子信息科學研究院院長。
2020年11月至今，擔任南方科技大學校長。
2020年12月至今，擔任南方科技大學校長、黨委副書記。
2004年，榮獲“中國青年科技獎”。
2005年，榮獲“中國科學院杰出科技成就獎”。
2010年，榮獲“第三世界科學院（TWAS）物理獎”。
2014年，榮獲“求是杰出科學家獎”。
2016年09月，榮獲“未來科學大獎物質科學獎”。
2017年01月，被評為2016年度最具影響力的十大“科技創新人物”之一。
2019年，入選“中國海歸70年70人”榜單，榮獲“北京市突出貢獻中關村獎”。
2020年02月，榮獲“2020年度菲列茲·倫敦獎”，是自1957年該獎設立以來，首個獲得這一榮譽的中國科學家、是第二個獲得榮譽的亞洲地區科學家。
2020年09月，榮獲“復旦—中植科學獎”。
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