物理电子学研究粒子物理、等离子体物理、激光等物理前沿对电子工程和信息科学的概念和方法所产生的影响，及由此而形成的电子学的新领域和新生长点。

本学科重研究在强辐照、低信噪比、高通道密度等极端条件下，处理小时间尺度信号的技术，以及这些技术在广泛领域内的应用前景。以下的研究方向所要解决的问题超越单一学科的研究领域，形成物理电子学的一个独特的部分。

量子通讯理论和实验研究：量子计算机是未来计算机的发展方向，在理论和实验上研究量子通讯技术是实现下一代计算机的基础，对量子计算机的研究有着非常重要的意义。

实时物理信息处理：物理前沿（例如粒子物理）实验的特点之一是信息量大，而有用的信息量同总信息量之比相差10到15个数量级，这已远远超出一般电子技术的极限。如何根据物理的要求实时处理大量数据，从而得到有用的信息，是实验成功的关键。这一方向的研究成果，对大系统的集成、实时操作系统应用都有重要的意义。

强噪声背景下的随机信息提取技术：在微观尺度上，来自传感器的信号往往低于噪声，同时又具有随机性。研究在强噪声背景下的随机信号和瞬态物理信息的提取是物理前沿学科提出的要求，也是雷达、声纳等领域的信号处理基础。

非线性电子学：采用电子学实验方法研究非线性现象，用电子学手段产生混沌现象，并研究如何实现混沌同步和混沌通信。

高速信号互连及其物理机制的研究：当数据传输率达到千兆位或更高时，信号在电缆、印刷板等载体上的传输涉及介质损耗、趋肤效应和电场分布等物理机制，只有引入物理学的研究方法，才能解决这些电子工程和信息技术中的问题。

辐照电子学：辐照造成半导体材料的损伤，导致其性能降低甚至失效。研究辐照对器件性能和寿命的影响，选择耐辐照的材料和解决辐射场的测量，对应用于军事和空间的电子工程、核安全技术、和核医学都有重要的意义。