1963年生于山东，1984年毕业于山东大学光学系激光专业，1994年在中国科学院物理研究所获得博士学位。1992年至1999年先后在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡莱罗纳州立大学物理系学习和工作。1999年至2007年任中国科学院物理研究所研究员，1999年至2005年任表面物理国家重点实验室主任。2005年起在清华大学物理系任教授，同年11月被增选中国科学院院士。2010年起任清华大学理学院院长、物理系主任，2011年起任低维量子物理国家重点实验室主任。2013年3月起任清华大学校长助理、科研院院长。2013年5月任清华大学党委委员、常委、副校长。他是Physics Review B、Applied Physics Letters、AIP Advances等国际期刊的编委，Nano Research和Surface Review & Letters的主编。
主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性等。发表文章330余篇，包括5篇Science, 7篇Nature 子刊, 1篇PNAS，31篇Physical Review Letters, 被引用超过6000余次。在国际会议上应邀做大会/主题/特邀报告100余次，其中四次在美国物理学会年会做邀请报告。曾获中国科学院杰出科技成就奖（2005）、何梁何利科学与进步奖（2006）、国家自然科学二等奖（2005、2011）、第三世界科学院物理奖（2010）、求是杰出科技成就集体奖（2011）、陈嘉庚科学奖（2012）、“万人计划”杰出人才（2013）等奖励与荣誉。
