宇宙におけるさまざまな天体現象を物理学の手法を用いて理論的に研究している。特に宇宙のごく初期にあらわれた星・銀河などの形成のメカニズムを、主に大規模数値シミュレーションの手法を用いて調べている。

宇宙、特に星が一生の最後に起こす超新星爆発、に関する理論的・観測的研究を行っている。超新星爆発の爆発機構、宇宙の進化の解明を目的とし、主に数値シュミレーションを用いて、すばる望遠鏡などによる最新の観測との比較を行っている。

宇宙の彼方から到来する超高エネルギーガンマ線の起源や加速の機構の研究を、チベットやオーストラリアに建設した大型の観測装置を用いて行う。また、スペースステーションに搭載した大口径望遠鏡により極限エネルギー宇宙線を観測する計画も進めている。このための装置の開発・制作や計算機シミュレーションも行っている。

宇宙における高エネルギー現象の研究。特に10の20乗電子ボルトという最高エネルギー領域の粒子やガンマ線の国際共同観測により、その起源と伝搬について研究している。

ビッグバン初期宇宙と恒星内での元素合成の実験的研究を専門としている。放射光施設での光核反応の研究。

原子核物理の実験的研究。陽子、ヘリウムなどの軽イオンビームをプローブとして用いた原子核の高励起状態の構造の研究。レーザー光と高エネルギー電子の逆コンプトン散乱によって得られるMev領域からGeV領域のガンマ線を用いた原子核反応の研究。

レーザー逆コンプトンガンマ線（産総研：つくば市）による宇宙核物理の研究と新世代ガンマ線の開発（スプリング8、ニュースバル：西播磨）を行っている。ブリュッセル自由大学と共同で、天体核物理の研究と天体核物理データーベースの構築を行っている。

新しいデバイス機能や情報処理方式の創成を目指して、光・量子エレクトロニクスの基礎的研究を行っている。超高速光デバイスへの応用を目的とした光非線形現象の研究、および量子暗号通信の実現を目指した単一光子計測法の研究などが主要なテーマである。

固体の非線形・超高速レーザー分光。新しい光デバイス材料となる非線形光学材料の探索とその応用を目指し、基礎研究を行っている。特に、フラーレンやカーボンナノチューブなどの低次元構造を持つ炭素クラスターを、現在の研究対象としている。

時間分解測定、磁場中の測定を含めた分光実験による固体の主に励起状態の研究。最低励起状態である種々の励起子の研究。

今までにないナノ構造の半導体を、レーザーアブレーション法を用いて創成し、その基礎物性を研究している。ナノ構造の物理現象を利用した環境適応性電子材料、生体機能性電子材料としての可能性を検討している。

低温・強磁場環境下での、半導体および遷移金属酸化物に関する電子輸送現象の量子効果の研究。テラヘルツ光を用いた物性物理学の基礎および応用研究。

強相関電子系化合物やナノ物質の電子状態をシンクロトロン放射光や実験室光源を用いた光電子分光等の分光実験により明らかにする研究を行っている。