杜灵杰：量子世界追光者

“年轻人要敢于走出‘舒适区’、挑战‘无人区(wúrénqū)’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾走过的(de)道路。方向找准了，就坚定地往前走。” 尽管是白天，南京大学鼓楼校区的一间实验室(shíyànshì)里(lǐ)仍“伸手不见五指”。 这里门窗(ménchuāng)紧闭，没有任何照明光源，设备发出的(de)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(nánjīngdàxué)物理学院教授杜灵杰站在观测屏前，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领(dàilǐng)团队展开(zhǎnkāi)了一场追光之旅——在世界范围内首次发现具有引力子特征的准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果同时入选(rùxuǎn)了2024年度(niándù)“中国科学十大进展”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(shuō)(láishuō)，既是一种激励(jīlì)也是一种责任跟动力，是在激励我要瞄准最前沿、引领新方向，用研究成果拓展认知边界、推动学科突破。”杜灵杰说。 在物理学领域，存在着一个近乎传说的(de)粒子(zi)——引力子。自20世纪30年代提出以来，它(tā)一直(yìzhí)存在于量子物理学家的假设中，寻找引力子关系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(wǒmen)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(de)物体，放在紧绷的布料上会产生(chǎnshēng)凹陷，如果从布的一边轻轻地推一个小球过去(guòqù)，它会朝着凹陷处滚动，这就是我们感知的引力，这种形变(xíngbiàn)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)就读于南京大学理科强化部。进入研究生阶段后，与周围同学大多(dàduō)选择实用性(shíyòngxìng)更强的方向不同的是，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(liàngzǐ)物理。 “我喜欢沉浸在纯粹(chúncuì)的(de)量子物理世界中自在探索，想要观察它(tā)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，引领着杜灵杰一路攀登科研高峰。硕士毕业(bìyè)后，杜灵杰选择去美国攻读物理学博士学位，此后又(yòu)在(zài)哥伦比亚大学从事博士后研究。在博士后阶段，他开始尝试全新的(de)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(wùzhì)中可能存在一种分数量子霍尔引力(yǐnlì)子，表现为低能模式激发，也被称为引力子模或引力子激发。由于它的行为规律与引力子类似，被形象地(dì)称为引力子在凝聚态物质中的“投影(tóuyǐng)”。“就像在地球上观察不到遥远星球的细节，但可以通过(tōngguò)其投下的影子了解它的特性。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外合作(hézuò)导师的极力挽留(wǎnliú)，33岁的杜灵杰毅然选择回国，加入母校南京大学物理学院担任教授和博士生(bóshìshēng)导师，从零开始搭建实验室，开展基础研究工作。 “我从来没想过在国外待一辈子，从规划出国的那天起，我就知道(zhīdào)我是要回来的，出国学习(xuéxí)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(de)第一个挑战，就是从零开始搭建实验室。 实验需要同时(tóngshí)满足三个极限条件：接近绝对零度的(de)超低温、强于(qiángyú)地球磁场数万倍的强磁场(qiángcíchǎng)，以及能捕捉到微弱信号的光学系统。这样苛刻的实验条件听起来似乎是天方夜谭，而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(tiǎozhàn)，但始终没有突破。 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(le)一套极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。历时(lìshí)3年，他们终于搭建出世界上第一台能够观测“引力子激发(jīfā)”的实验设备，足有(zúyǒu)两层楼高，如同一台超大号的“显微镜”。 为了(le)捕捉微弱的(de)光信号，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户(chuānghù)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，这里便有了一个亲切的名字——“黑屋子”。 设备建成后，真正的挑战才刚刚开始，即便有“利器在(zài)手”，量子世界(shìjiè)的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作(gōngzuò)必须在‘黑屋子’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨一两点。”杜灵杰坦言(tǎnyán)，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人员(rényuán)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，调整实验参数。有时，一个小小的调整可能(kěnéng)需要反复尝试数小时，而(ér)最终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，需要把(bǎ)噪声降到(jiàngdào)宇宙(yǔzhòu)背景辐射的十亿分之一。深夜时分，当学生们陆续离开(líkāi)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、耐心和恒心。”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引力子激发的微弱信号。团队(tuánduì)十分兴奋，迅速将观测结果形成论文(lùnwén)并向《自然》投稿，没想到(méixiǎngdào)却被回复“证据不足”。 在随后一次国际会议上，杜灵杰的(de)发现再次被(bèi)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子模呢？”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，分数量子霍尔效应中的引力子模(zimó)最明显(míngxiǎn)的特征(tèzhēng)就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维定式，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”。 接二连三的打击让团队陷入(xiànrù)低谷，杜灵杰内心煎熬着(zhe)，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天“泡”在实验室里分析实验数据(shùjù)。 功夫不负有心人。2024年，杜灵杰带领团队终于观察到(dào)了引力子(zi)模的特征能量证据，研究成果发表在《自然》上，这也是(shì)世界上首次在分数量子霍尔效应中(zhōng)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，有望弥合量子力学与爱因斯坦相对论之间的鸿沟。” “这只是一个起点(qǐdiǎn)。”杜灵杰说，未来新型电子器件和新型材料将得益于(déyìyú)这种对物质微观结构的深入理解，它将改变世界。 “种树者(zhě)”的坚守与传承 “如果这次实验最后没有达到预期目标，多年来(lái)的(de)努力是‘一场空’怎么办？”面对质疑基础研究“无用”的声音，杜灵杰常用“种树(zhòngshù)”来比喻：“研究基础物理就像种树，要甘愿花时间施肥、精心(jīngxīn)养护，耐心等待它长成参天大树的一天。” 在杜灵杰看来，育人亦是如此。在“黑屋子”实验室的角落里(jiǎoluòlǐ)，有一张简易的长桌，那(nà)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(huígù)实验进展，讨论下一步的方案。 “杜老师很少直接给我们答案，而是引导我们自己思考。”在博士生杨子灏看来，导师注重了解每名学生的(de)特点，因材施教，充分激发大家的潜力，“有时候(yǒushíhòu)讨论会一开就是三四个小时，每个(měigè)人畅所欲言(chàngsuǒyùyán)，直到大家找到问题的症结所在。” 在学生们眼中，杜灵杰是一个对科研有巨大热情的人(rén)，对最新研究方向把控很精准，一旦确认目标就会迅速(xùnsù)着手推进，即使遇到再大(zàidà)困难也从未见过他叹气。 言传身教中，学生(xuéshēng)们学会了(le)面对困难不退缩。博士生(bóshìshēng)王一帆还记得第一次独立搭建光路开展实验的经历，那段时间她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(páichú)整个系统中的问题，最终发现是(shì)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‘低处的桃子’，杜(dù)老师(lǎoshī)更愿意让我们静下心来(jìngxiàxīnlái)，真正攻克一些处于(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作出贡献。”王一帆说。 身为“85后”的杜灵杰认为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，要敢于走出‘舒适区’、挑战‘无人区(wúrénqū)’，瞄准最前沿，闯出一条前人未曾(wèicéng)走过(zǒuguò)的道路。方向找准了，就坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂(chángguà)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(bǔzhuō)一种新的量子物态。在探寻(tànxún)科学之光的道路上，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗(yúyuèhán) 颜修齐）