Badania fotofizyki molekuł i kompleksów molekularnych zainicjowali w Instytucie w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku Andrzej Tramer i Tadeusz Skaliński. Badanie te były kontynuowane przez J. Prochorowa i K. Szczepaniaka. Obecnie większość tego rodzaju badań prowadzona jest w Oddziale Fizyki Promieniowania i Spektroskopii (ON2) Instytutu i dotyczy szeregu zjawisk w czołówce zainteresowań fizyki molekularnej. W szczególności A. L. Sobolewski wraz ze współpracownikami badali mechanizmy zapewniające foto-stabilność kluczowych molekuł życia na promieniowanie UV. Zaproponowana szybka droga relaksacji ze wzbudzonych stanów elektronowych poprzez transfer wodoru w stanie wzbudzonym w ramach między-molekularnych wiązań wodorowych została zbadana teoretycznie i potwierdzona doświadczalnie (Science 2004, 306, 1765).

Innym podejściem do zagadki foto-stabilności molekuł aktywnych biologicznie, takich jak analogi kwasów nukleinowych, są badania spektroskopii w podczerwieni izolowanych molekuł w matrycy gazów szlachetnych (grupa M. Nowaka). Zastosowanie odpowiednich sekwencji wzbudzeń umożliwia otrzymanie pełnego obrazu konformacji badanych molekuł. Sprzęgnięcie tych technik z obliczeniami z pierwszych zasad doprowadziło do identyfikacji nowego typu foto-reakcji (foto-indukowane przeniesienie protonu między molekułami), obserwowanej dla szeregu heterocyklicznych molekuł i prostych amidów (J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 13655).

Własności wzbudzonych stanów elektronowych badane są również w grupie B. Kozankiewicza. Dotyczą one niezwykle interesującego reżimu pojedynczych molekuł, dostępnego w odpowiednio wybranych kryształach molekularnych. Zastosowana metoda pozwala bezpośrednio mierzyć bardzo wąskie linie pochodzące od poszczególnych molekuł zamiast szerokich linii widocznych dla makroskopowego zespołu statystycznego. Grupa B. Kozankiewicza skonstruowała unikalny mikroskop konfokalny umożliwiający badania optyczne wybranej molekuły w zakresie temperatur od 1.5 do 300 K. Praca podsumowujące tego rodzaju badania ukaże się wkrótce w Chemical Society Reviews.

Własności izolowanych molekuł i kompleksów molekularnych badane są również w szeregu eksperymentach w fazie gazowej. Laboratorium spektroskopii rotacyjnej w zakresie od fal milimetrowych do częstości THz-owych (w grupie Z. Kisiela) dostarcza danych dla poszukiwanych przez astrofizyków molekuł kluczowych dla rozwoju życia, takich jak glicyna (Astrophys. J., 2003, 593, 848). Analogiczne badania spektroskopowe, przeprowadzone w zakresie niskich częstości mikrofalowych dla próbek poddanych naddźwiękowej ekspansji, pozwoliły wyznaczyć strukturę i momenty dipolowe wielu molekuł i luźno związanych kompleksów, m. innymi, we współpracy z Pate Laboratory of University of Virginia, licznych kompleksów wody (o wielkości od heksamerów do nonamerów) (Science 2012, 336, 897).

Wiele kompleksowych badań stanów podstawowych i wzbudzonych dimerów metali alkalicznych przeprowadzono w grupie W. Jastrzębskiego, przy użyciu unikalnej spektroskopii laserowej ze znacznikami polaryzacyjnymi. Grupa ta stworzyła nowy, uniwersalny model konstrukcji powierzchni potencjalnych z danych eksperymentalnych (J. Chem. Phys. 2000, 113, 6624). Tego rodzaju powierzchnie okazały się niezwykle istotne dla projektowania procesów kondensacji Bosego-Eisteina.

Badania teoretyczne dotyczące szeroko rozumianej fizyki ultra zimnych atomów i molekuł, zawierające się w zakresie od kondensatów Bosego-Einsteina do skorelowanych układów wielu ciał, są domeną J. Mostowskiego i współpracowników. Uzyskano wiele znaczących wyników, w tym dotyczące symulatorów kwantowych i układów Hubbarda w sieciach optycznych (Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 115301; 165301), nierównowagowych przejść fazowych (Phys. Rev. Lett. 2013, 110, 045303), układów niskowymiarowych (Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 205302), kondensatów polarytonowych (Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 060401), magnetyzmu kwantowego i pomiarów wysokiej precyzji (Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 060404).

Kolejną istotną tematyką badawczą w dziedzinie oddziaływania promieniowania elektryczno-magnetycznego z materią są doświadczalne badania własności systemów chaotycznych prowadzone w grupie L. Sirko. Analogi kwantowego bilardu i grafów w postaci rezonatorów mikrofalowych i sieci dostarczyły wielu cennych informacji, co do działania tego rodzaju systemów (Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 040402).