王广厚在国际上首先提出区分异同位素团簇和相同同位素团簇，发现了溅射离子团簇的同位素效应。首先观察到硅团簇表面振动模及其量子特性、氟化锂团簇一阶和多阶拉曼散射和声学声子增强效应。发现包裹团簇的纳米喷射以及金团簇在硅晶表面形成的纳米结构具有多道共振隧穿特性。建立了过渡金属团簇经历金属—非金属、磁性—非磁性转变的尺寸方程。揭示了金属原子线的生长序列及其由原子链状经螺旋多壳结构向晶态的演变规律。带领研究组自行设计和研制成功多台团簇实验装置，并以团簇为基元制备了多种具有奇异性质的纳米结构和材料及量子器件。