スーパーコンピューターを用いた宇宙流体シミュレーションを主な研究手段として、銀河における星形成過程や、超新星衝撃波における高エネルギー宇宙線の加速過程の理論的研究を行っている。

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X線・ガンマ線観測を通じて、宇宙線加速、超新星爆発、ブラックホール天体などに関する研究を行っている。また、将来のX線・ガンマ線天文衛星への搭載を目指して、半導体センサを中心とした観測装置開発を進めている。

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。

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。

物理、工学、医学、薬学といった幅広い分野でニーズがある大強度加速器の開発を行うと共に加速器を用いて原子核の基礎物理量(特に大きさ)の測定を行っている。これら研究は他大学(東北大、阪大、京大など)や他機関(理化学研究所、量子科学技術研究開発機構)と共同で行っている。

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。

電子系や量子スピン系において、レーザー照射による秩序変数の高速制御や平衡状態では不安定な物質相を非平衡を利用して実現することなどを目指して、光・物質結合の引き起こす量子ダイナミクスを理論的に研究している。
特に強電磁場に対する非線形光学応答やレーザーを用いた超高速スピントロニクス、幾何学的位相の効果が表れるような非平衡トポロジカル状態などを調べている。

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新奇超伝導体の電子構造をSPring-8放射光による電子分光実験などで調べ，特異な現象の起源を明らかにする研究を行っている。