Do fundamentalnych osiągnięć Instytutu Fizyki, postrzeganych z perspektywy sześćdziesięciu lat jego działalności, należy dorobek naukowy jego pracowników w postaci tych odkryć naukowych i nowych metod badawczych, które wywarły istotny wpływ na rozwój światowej fizyki i nauk pokrewnych w ubiegłym półwieczu. Niewątpliwie najważniejszym obszarem badań, w którym ten wpływ jest najlepiej widoczny stała się fizyka półprzewodników i inżynieria materiałowa związana z półprzewodnikami.

Jako chronologicznie pierwszy ważny wkład Instytutu do dorobku światowej fizyki należy wymienić wyniki badań półprzewodników z wąska przerwą energetyczną. Badania te, zainicjowane przez Leonarda Sosnowskiego pod koniec lat pięćdziesiątych, były intensywnie prowadzone w okresie następnych dwóch dekad zarówno dla celów poznawczych jak i dla potencjalnych zastosowań cywilnych i wojskowych. Ważnym impulsem na drodze do lepszego zrozumienia i opisu półprzewodników stały się opublikowane w drugiej połowie lat pięćdziesiątych dwudziestego wieku prace teoretyczne J. M. Luttinger’a i W. Kohna (1955-57), a następnie praca E.O. Kane’a (1958) o perturbacyjnej metodzie obliczeń struktury pasmowej, nazwana metodą k•p. W Instytucie Fizyki liderami badań półprzewodników i współautorami najważniejszych prac w tej dziedzinie byli Jerzy Kołodziejczak i Włodzimierz Zawadzki. J. Kołodziejczak opublikował wówczas pierwszą teorię zjawisk transportu elektronów w półprzewodnikach z wąską przerwą energetyczną, uwzględniającą rzeczywistą strukturę pasm energetycznych w tych materiałach. Następnie, podczas pobytu naukowego w MIT w latach sześćdziesiątych, wspólnie z Benjaminem Laxem i Yuishiro Nishiną, Kołodziejczak rozszerzył wcześniejsze wyniki na zjawiska magnetooptyczne przedstawiając teorię międzypasmowego (kwantowego) efektu Faraday’a i Voigta w germanie. W serii kolejnych prac (1964-1966) Zawadzki i Kołodziejczak wraz ze swoimi uczniami i współpracownikami rozszerzyli teorię transportu w półprzewodnikach na zjawiska galwanomagnetyczne i termomagnetyczne uwzględniając także wpływ nieparaboliczności struktury pasmowej. Ze względu na swoją uniwersalność oraz na ważne zastosowania półprzewodników z wąską przerwą w elektronice prace te należą także do często cytowanych. Ważnym wkładem do zrozumienia zjawisk transportu w półprzewodnikach z wąska przerwą, a zwłaszcza roli różnych mechanizmów rozpraszania nośników prądu w tych materiałach, były opublikowane pod koniec lat siedemdziesiątych prace doświadczalne i teoretyczne T. Dietla i W. Szymańskiej, oraz w nieco późniejszym okresie także ich współpracowników. Należy podkreślić, że rozwojowi teorii w Instytucie towarzyszyły także intensywne prace eksperymentalne, skoncentrowane głównie na badaniach własności transportowych i magneto transportowych oraz technologiczne, których celem było opanowanie fizykochemii i technik wzrostu półprzewodników. Obok badań germanu, krzemu i antymonku indu rozpoczęto badania także innych półprzewodników. Technologię wzrostu związków rtęci z grupy II-VI: HgTe, HgSe oraz związków mieszanych z innymi pierwiastkami izowalencyjnymi opracował i rozwinął w Instytucie Witold Giriat. W drugiej połowie lat sześćdziesiątych rozwinięto także, pod kierownictwem Sylwestra Porowskiego, badania półprzewodników pod wysokimi ciśnieniami. Stworzenie świetnie wykształconej kadry naukowej oraz budowa eksperymentalnych pracowni badawczych i technologicznych należą do wymiernych i niezmiernie ważnych z dzisiejszej perspektywy ówczesnych osiągnięć Instytutu.

Na początku lat siedemdziesiątych, poszukując nowych materiałów półprzewodnikowych o zadanych, wybranych dla określonego zastosowania parametrach Robert R. Gałązka oraz jego kolega, amerykański fizyk polskiego pochodzenia Jacek Furdyna zwrócili uwagę na analogiczny do HgCdTe związek zawierający mangan zamiast kadmu. Chociaż własności fizykochemiczne HgMnTe znane były już od lat sześćdziesiątych Gałązka i Furdyna jako pierwsi zwrócili uwagę na wpływ niesparowanego spinu powłoki 3d jonów manganu na własności elektronowe półprzewodników II-VI i związane z tym nietrywialne modyfikacje elektronowych własności półprzewodnika. Początkowo przedmiotem badań były materiały z wąską przerwą energetyczną, ale później zsyntetyzowano i zbadano także całą gamę ważnych w zastosowaniach optycznych materiałów szerokoprzerwowych, domieszkowanych metalami przejściowymi. Te pionierskie prace zainicjowały niezwykle owocną dziedzinę badań nazywaną dziś fizyką półprzewodników półmagnetycznych i w okresie kolejnych kilkunastu lat aktywność naukowa Instytutu w dużym stopniu koncentrowała się na pracach poświęconych tej dziedzinie. Liderem badań półprzewodników magnetycznych stał się Robert R. Gałązka, a szereg prac jego i jego współpracowników z tego okresu zalicza się do najważniejszych osiągnięć naukowych Instytutu. Objęły one zarówno prace teoretyczne, pośród których za najważniejsze należy uznać owoce współpracy L. Sosnowskiego, R. Gałązki, T. Dietla, J. Kossuta, W. Walukiewicza i ich współpracowników z kolegami z Uniwersytetu Warszawskiego: J.A. Gajem, J. Ginterem, M. Grynbergiem, J. Mycielskim i M. Nawrockim, jak i prace doświadczalne i technologiczne zrealizowane w Instytucie i we współpracy z innymi laboratoriami krajowymi i zagranicznymi przez M. Z. Cieplak, W. D. Dobrowolskiego, M. Dobrowolską, Z. Dziubę, A. Jędrzejczaka, A. Mycielskiego, T. Wojtowicza i ich współpracowników. W szczególności, w drugiej połowie lat siedemdziesiątych, w serii prac poświęconych magnetotransportowym własnościom półprzewodników półmagnetycznych J. Kossut, R. R. Gałązka i ich współpracownicy opracowali teorię oddziaływań wymiennych w tej klasie materiałów. W 1978 r. J.A. Gaj, J. Ginter i R. R. Gałązka rozszerzyli model Kohna-Luttingera do opisu zjawisk optycznych i magnetooptycznych w półprzewodnikach półmagnetycznych uwzględniając wpływ oddziaływania wymiennego na strukturę pasmową i na wzbudzenia elementarne. Trzy lata później na przełomie lat 1981/82 T. Dietl i J. Spałek (z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie) zbadali wpływ termodynamicznych fluktuacji namagnesowania na własności polaronów magnetycznych w szerokoprzerwowych półprzewodnikach półmagnetycznych. Autorzy pracy, opublikowanej w Physical Review Letters, wyjaśnili zaobserwowane wcześniej przez M. Nawrockiego widma rozpraszania ramanowskiego w szerokoprzerwowym półprzewodniku półmagnetycznym CdMnSe, demonstrując także wpływ kolektywnych oddziaływań magnetycznych na dynamikę elektronów w tej klasie półprzewodników. W kolejnych pracach T. Dietla, M. Sawickiego i współpracowników zbadano także wpływ polaronów magnetycznych w CdMnSe na własności magnetotransportowe, wskazując na uniwersalny charakter poprawek kwantowych do procesów rozpraszania elektronów w układach nieuporządkowanych.

Jakościowo nowym i ważnym wynikiem była opublikowana w Physical Review Letters w 1986 r. praca T. Storego, R. R. Gałązki oraz ich współpracowników z Laboratorium Silnych Pól Magnetycznych im. F. Bittera w MIT w USA. Autorzy zademonstrowali w półprzewodniku półmagnetycznym z rodziny [(PbTe)1-x(SnTe)_x]_1-y[MnTe]_y zjawisko ferromagnetycznego przejścia fazowego, indukowane w niskich temperaturach zmianą koncentracji elektronów pasmowych. Była to pierwsza demonstracja współoddziaływania kolektywnych własności magnetycznych i elementarnych wzbudzeń elektronów pasmowych oraz otwarcie perspektywy możliwego wykorzystania własności elektrycznych półprzewodnika do sterowania jego własnościami magnetycznymi. Praca ta stanowiła jednocześnie jeden z ważnych etapów badań nad problemem możliwości manipulowania spinem elektronu poprzez oddziaływania elektryczne w półprzewodniku, czyli nad możliwościami stworzenia spinowych tranzystorów i innych przyrządów przyszłej generacji służących do przetwarzania informacji, określanych pojęciem spintroniki.

Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych Instytut stał się jednym z ważniejszych światowych ośrodków badań nowatorskiej klasy materiałów półprzewodnikowych o pasjonujących właściwościach oraz potencjalnie ważnych w zastosowaniach, których zrozumienie i opis wymagały bogatego repertuaru technik doświadczalnych i teoretycznych. Przejawem liczącej się na świecie pozycji Instytutu było wówczas powierzenie Instytutowi organizacji Międzynarodowej Konferencji Fizyki Półprzewodników (ICPS) w 1988 roku przez Międzynarodową Unię Fizyki Czystej i Stosowanej (IUPAP).

Fundamentalnym kamieniem milowym spintroniki stała się opublikowana w 2000 roku praca T. Dietla i jego współpracowników z Japonii i z Francji. W artykule opublikowanym w Science autorzy przedstawili model ferromagnetyzmu w półprzewodnikach o strukturze blendy cynkowej domieszkowanych jonami metali przejściowych, postulując możliwość istnienia fazy uporządkowanej magnetycznie w temperaturze pokojowej i wskazując jednocześnie możliwe sposoby realizacji takiego układu. Praca ta, należąca do najczęściej cytowanych w ostatniej dekadzie w dziedzinie fizyki półprzewodników, otworzyła perspektywę budowy urządzeń spintronicznych i jednocześnie przyczyniła się do rozwoju niezwykle intensywnych doświadczalnych i teoretycznych poszukiwań nowych materiałów i struktur półprzewodnikowo-ferromagnetycznych. Laboratorium T. Dietla w Instytucie należy obecnie do najważniejszych i najaktywniejszych światowych centrów badawczych w tej dziedzinie, czego przykładem, obok bardzo wysoko cytowanych prac i zaproszonych referatów są także liczne prestiżowe międzynarodowe i krajowe granty, nagrody i wyróżnienia dla jego założyciela i lidera.