1941年，黄昆转入昆明西南联大的物理研究院，导师是著名的物理学家吴大猷。其后获得诺贝尔奖奖金的杨振宁和著名的美籍华裔科学家张守廉，都是他的同学好友。
1944年，黄昆为庚款公费考试所录取，次年赴英国深造。先后在布雷斯脱大学和利物浦大学做研究员，与英国女物理学家艾夫·里斯女士结识，结成伉俪。
在英国留学期间，黄昆在固体物理学的研究上做出重要贡献，发表论文多篇，取得国际同行科学家的公认。其显著者有以下几项成就：
“黄放射”。1947年黄昆在英国发表第一篇论文《稀释固溶液的X射线漫散射》（载《英国皇家学会学报》）的理论，20世纪70年代为一些外国科学家所证实和应用，被认为是研究固体中杂质缺陷的一种有力手段。
“黄理论”。1950年黄昆在利物浦大学首次提出多声子辐射和无辐射跃进的量子理论，与其助手里斯共同署名，发表了《F——中心的光吸收和无辐射跃进理论》，给近年研究固体杂质缺陷光谱、发光和半导体载流子复合起了奠基作用。
“黄方程”。1951年黄昆首次提出晶体中声子和电磁波的耦合振荡模式，发表在《关于电磁波场和离子晶体的相互作用》《离子晶体长光学波的唯象方程》等论文中，后来发展为极化激元的运动方程。1972年在极化激元国际会议印发的文集中，首先提到黄昆的贡献。
以上三项重要贡献，都被国际科学界冠以“黄”字为命题，可见他在科学研究上的卓越成就。
此外，黄昆还从1947年起，用了四年时间，与诺贝尔奖金获得者西德的博恩合作撰写了《晶体动力学》一书，这本书在国际上受到高度的评价。
近四十年中，他为中国的科学教育和研究工作做了许多贡献。1952年，他返回祖国大陆，先在北京大学任教；翌年，又开创了固体物理学和半导体学的教学与研究，建立了一系列课程。不久，他当选为中国科学院学部委员，并出任中国科学院半导体研究所所长。此后多次参加国际学术会议并出国讲学，1980年应聘为瑞典皇家学院的国外院士。
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