杜灵杰：量子世界追光者

“年轻人要敢于走出(chū)‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就(jiù)坚定地往前走。” 尽管是白天，南京大学鼓楼校区(xiàoqū)的(de)一间实验室里仍“伸手不见五指”。 这里门窗紧闭，没有任何照明光源，设备发出的光亮在黑暗中若隐若现，耳边不时传来机器运转的嗡鸣声。南京大学物理学院教授杜灵杰站(zhàn)在观测屏(píng)前，紧盯着闪烁的数据(shùjù)屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领团队展开了一场追光之旅——在世界范围内首次(shǒucì)发现具有引力子特征的准粒子，这一从(cóng)“0”到“1”的重大成果同时入选了2024年度“中国(zhōngguó)科学(kēxué)十大进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜(dù)灵杰从北京捧回第29届中国青年五四奖章。“获奖对于我来说，既是一种激励也是一种责任跟动力，是在激励我要瞄准(miáozhǔn)最前沿、引领(yǐnlǐng)新方向，用研究成果拓展认知边界(biānjiè)、推动学科突破。”杜灵杰说。 在物理学(wùlǐxué)领域，存在着一个近乎传说的粒子——引力(yǐnlì)子。自20世纪30年代提出以来，它一直存在于量子物理学家的假设(jiǎshè)中，寻找引力子关系(guānxì)到广义相对论和量子力学的统一，被视为物理学的“终极难题”之一。 “我们可以将时空想象为一张弹性布，把苹果想象成一个质量巨大的物体(wùtǐ)，放在紧绷的布料上会产生凹陷，如果从布的一边轻轻地(dì)推一个小球(xiǎoqiú)过去，它会朝着凹陷处滚动，这就是我们感知的引力，这种(zhèzhǒng)形变的波动类似时空的‘涟漪’，也就是引力波，这种波动对应的粒子就是引力子。”杜灵杰(língjié)形象地解释道。 一切源于兴趣使然。杜灵杰从小就喜欢对自然现象刨根问底，本科时，他(tā)就读于(jiùdúyú)南京大学理科强化部。进入研究生阶段后，与周围同学(tóngxué)大多选择实用性更强的(de)方向不同的是，杜灵杰选择了当时看似“超前”却被贴上“没什么用”标签的量子物理。 “我喜欢(xǐhuān)沉浸在纯粹的(de)量子物理世界(shìjiè)中自在探索，想要观察它将给这个世界带来什么改变。”谈及选择量子物理的原因，杜灵杰坦言，物理学纯粹而有趣，量子世界充满了不确定性和可能性，这种“既存在(cúnzài)又不存在”的量子态，令人着迷。 兴趣，引领着杜(dù)灵杰一路攀登科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择去美国攻读物理学博士学位，此后又在哥伦比亚大学从事博士后研究(yánjiū)。在博士后阶段，他(tā)开始(kāishǐ)尝试全新的光学实验研究，开始接触分数量子霍尔效应。 其实，多年前就有科学家预言，凝聚态物质中可能存在(cúnzài)一种分数量子霍尔引力子，表现为低能模式激发，也被(bèi)称为引力子模或(huò)引力子激发。由于它的(de)行为规律与引力子类似，被形象地称为引力子在凝聚态物质中的“投影”。“就像在地球上观察不到遥远星球的细节，但可以通过其投下的影子了解它的特性(tèxìng)。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外合作导师(dǎoshī)的(de)极力挽留，33岁的杜灵杰毅然选择回国(huíguó)，加入母校南京大学物理学院担任教授和博士生导师，从零开始搭建实验室，开展基础研究工作。 “我(wǒ)从来没想过在国外待一辈子，从规划出国的那天起(qǐ)，我就知道我是要回来的，出国学习就是为了有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说(shuō)。 杜灵杰回国后面临的第一个挑战，就是(jiùshì)从零开始搭建实验室。 实验需要同时满足三个极限条件(tiáojiàn)：接近绝对零度的超低温、强于地球磁场数万倍的强磁场，以及能捕捉到微弱信号的光学系统(guāngxuéxìtǒng)。这样苛刻的实验条件听起来似乎(sìhū)是天方夜谭，而(ér)杜灵杰所研究的分数量子霍尔效应中的集体激发模式，需要在满足上述所有极端条件的情况下才能观测。当时，很多科学家向这个领域发起挑战，但始终没有(méiyǒu)突破。 在没有现成设备的情况下，杜灵杰硬是带领学生们白手起家，自主设计并集成组装了一套极低温(dīwēn)强磁场(qiángcíchǎng)共振非弹性(tánxìng)偏振光散射(sǎnshè)系统。历时3年，他们终于搭建出世界上第一台能够观测“引力子激发”的实验设备，足有两层楼高，如同一台超大号的“显微镜”。 为了(wèile)捕捉微弱的光信号，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户被厚重的窗帘严丝合缝地遮住，连门缝都用黑胶带细心封住。久而久之，这里便有(yǒu)了一个亲切的名字——“黑屋子(wūzi)”。 设备建成后，真正的(de)挑战才刚刚开始，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作(gōngzuò)必须(bìxū)在‘黑屋子’里展开，通常是从(shìcóng)早上8点开始，直至次日(cìrì)凌晨一两点。”杜灵杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人员需要在黑暗中摸索前行，通过微弱的仪表灯光辨认设备位置，调整(tiáozhěng)实验参数。有时，一个小小的调整可能需要反复尝试数小时，而最终(zuìzhōng)的数据可能只是一个微弱的峰值。 在杜灵杰看来，寻找引力子就像在一场暴风雨中听心跳，需要(xūyào)把(bǎ)噪声降到宇宙背景辐射的十亿分之一。深夜时分，当学生们陆续离开后，杜灵杰还会留下来再检查一遍设备参数，确保万无一失。“做实验就像照顾一个孩子，需要细心(xìxīn)、耐心和(hé)恒心。”他常对学生们说。 历经重重困难，杜灵杰终于在海量数据中发现了(le)引力子激发的微弱信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文并向《自然》投稿，没想到却(què)被回复(huífù)“证据不足”。 在随后一次国际会议上，杜灵杰的发现再次被国外专家(zhuānjiā)质疑，“你怎么知道自旋为2的激发就一定是引力(yǐnlì)子模呢(ne)？”这一问如同当头一棒，让杜灵杰意识到研究思路可能错了。 因为按照理论，分数量子霍尔(huòěr)效应中的引力子模(zimó)最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维定式(dìngshì)，前期实验也循着这一思路展开，“事实上，引力子模的特征能量同样重要”。 接二连三(jiēèrliánsān)的打击让团队陷入低谷，杜灵杰内心煎熬(jiānáo)着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气(chénzhùqì)”，自己依旧一整天“泡”在实验室里分析实验数据。 功夫不负有心人。2024年，杜(dù)灵杰带领团队终于观察到了引力子模的特征(tèzhēng)能量证据，研究成果发表在(zài)《自然》上，这也是世界上首次在分数量子霍尔效应中观察到引力子激发。美国哥伦比亚大学量子研究院(yánjiūyuàn)撰文称赞：“能够在实验室研究类似引力子的粒子，有望弥合(míhé)量子力学与爱因斯坦相对论之间的鸿沟。” “这只是一个起点。”杜灵杰说(shuō)，未来新型(xīnxíng)电子器件和新型材料将得益于这种对物质微观结构的深入理解，它将改变世界。 “种树者”的坚守(jiānshǒu)与传承 “如果这次实验最后没有达到预期目标，多年来的努力是‘一场空’怎么办(zěnmebàn)？”面对质疑基础研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树(zhòngshù)”来比喻：“研究基础物理就(jiù)像种树，要甘愿花时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树的一天(yītiān)。” 在杜灵杰(língjié)看来(kànlái)，育人亦是如此。在“黑屋子”实验室的角落里，有一张简易的长桌(zhǎngzhuō)，那是团队平时讨论问题的地方。杜灵杰经常会和学生们围坐在这里，共同回顾实验进展，讨论下一步的方案。 “杜老师很少直接给我们答案，而是(érshì)引导我们自己思考。”在博士生杨子灏看来，导师(dǎoshī)注重了解每名学生的特点，因材施教，充分激发大家(dàjiā)的潜力(qiánlì)，“有时候讨论会一开就是三四个小时，每个人畅所欲言，直到大家找到问题的症结所在。” 在学生们眼中，杜灵杰(língjié)是一个对科研有巨大热情的人，对最新研究方向把控很(hěn)精准，一旦确认目标就(jiù)会迅速着手推进，即使遇到再大困难也从未见过他叹气。 言传身教中，学生们学会了(le)面对(miànduì)困难不退缩。博士生王一帆(wángyīfān)还记得第一次独立搭建光路开展实验的(de)经历，那段时间她(tā)因无法测出信号而感到绝望，甚至产生了放弃的念头。杜灵杰鼓励她不要轻言放弃，并建议她从头到尾排除整个系统中的问题，最终发现是样品摆放不当。按照杜灵杰的思路改进后，王一帆成功测出了信号。 “我们实验室的产出速度并不是很快，但比起摘(zhāi)‘低处的桃子’，杜老师更愿意让我们静下心来，真正(zhēnzhèng)攻克一些处于(chǔyú)科学技术前沿的问题，不仅是为了满足最原始的好奇心，也是为了用科研为国家发展(fāzhǎn)作出贡献。”王一帆说。 身为“85后”的杜灵杰认为(rènwéi)自己与学生年龄差距并不大，有许多共同语言。“大家都是年轻人(niánqīngrén)，要敢于走出(zǒuchū)‘舒适区’、挑战‘无人区’，瞄准最前沿(zuìqiányán)，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂在嘴边的话。 今天的“黑屋子”依然24小时运转。黑暗中，这群年轻人正在耐心捕捉一种新(xīn)的量子物态。在探寻科学(kēxué)之光的道路上，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜(yán)修齐）