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’，瞄准最前沿，闯(chuǎng)出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走(wǎngqiánzǒu)。” 尽管是白天，南京大学鼓楼校区的一间(yījiān)实验室里仍(réng)“伸手不见五指”。 这里门窗紧闭，没有任何照明光源(guāngyuán)，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。南京大学物理学院教授杜灵杰站在观测屏前，紧盯着(zhe)闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在(zài)这间黑屋子里，杜灵杰带领团队展开了一场追光之旅——在世界范围内首次发现具有引力子特征的(de)(de)准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果同时入选了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(qīngnián)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、引领新方向，用研究成果拓展(tuòzhǎn)认知边界、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——引力子。自20世纪(shìjì)30年代提出以来，它一直存在于量子(liàngzǐ)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(shìwèi)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凹陷，如果从布的一边轻轻地推一个小球过去，它会朝着凹陷处滚动，这就是我们感知的引力(yǐnlì)，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。”杜灵杰形象地解释(jiěshì)道。 一切源于兴趣(xìngqù)使然。杜灵杰从小就喜欢对自然现象刨根问底，本科时，他就读于(jiùdúyú)南京大学理科强化部。进入研究生阶段后，与周围同学大多选择实用性更强的方向不同的是，杜灵杰选择了当时看似(kànshì)“超前(chāoqián)”却被贴上“没什么用”标签的量子物理。 “我喜欢沉浸在纯粹的(de)(de)量子物理世界中自在探索，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(dù)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“既存在又不存在”的量子态，令人(lìngrén)着迷。 兴趣，引领着杜灵杰一路攀登科研高峰。硕士(shuòshì)毕业后，杜灵杰选择去美国攻读物理学博士学位，此后(cǐhòu)又在哥伦比亚大学从事博士后研究。在博士后阶段，他开始尝试全新的光学(guāngxué)实验(shíyàn)研究，开始接触分数量子霍尔效应。 其实，多年前就有(yǒu)科学家预言，凝聚态物质(wùzhì)中可能(kěnéng)存在一种分数量子(zi)霍尔引力子，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(tōngguò)其投下的影子了解它的特性。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外合作导师的极力挽留，33岁的杜灵杰毅然选择回国(huíguó)，加入(jiārù)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(jīchǔ)研究工作。 “我从来没想过在国外待一辈子，从规划出国(chūguó)的那天起，我就(jiù)知道我是要回来的，出国学习(xuéxí)就是为了有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说。 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(mǎnzú)三个极限条件：接近绝对零度的超低温、强于(qiángyú)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。这样苛刻的实验条件听(tīng)起来似乎是天方夜谭，而杜灵杰所研究的分数(fēnshù)量子霍尔效应中的集体激发模式，需要在满足上述(shàngshù)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(jí)低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。历时3年，他们终于搭建出世界上第一台能够观测“引力子(zi)激发”的实验设备，足有两层楼(liǎngcénglóu)高(gāo)，如同一台超大号的“显微镜”。 为了捕捉微弱的光信号，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(dì)遮住(zhù)，连门缝(ménfèng)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(zhēnzhèng)的挑战才刚刚开始，即便有“利器在手”，量子(liàngzǐ)世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作必须在‘黑(hēi)屋子’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨(língchén)一两点。”杜灵杰坦言(tǎnyán)，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，调整实验参数。有时，一个小小的调整可能需要反复尝试(chángshì)数小时，而最终的数据可能只是(zhǐshì)一个微弱的峰值。 在杜灵杰(língjié)看来，寻找引力子就像在一场暴风雨中听(tīng)心跳，需要把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(háihuì)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(shuō)。 历经(lìjīng)重重困难，杜(dù)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，没想到却被回复“证据不足(zhèngjùbùzú)”。 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(wèi)2的激发就一定是引力子模呢？”这一问如同当头一棒，让(ràng)杜灵杰意识到研究思路可能错了。 因为按照理论，分数(fēnshù)量子霍尔效应(xiàoyìng)中的引力子模最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入了(le)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低谷，杜灵杰(língjié)内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧(yījiù)一整天“泡(pào)”在实验室里分析实验数据。 功夫不负有心人。2024年，杜灵杰带领团队终于观察到了引力子模的(de)特征能量证据，研究(yánjiū)成果发表在《自然》上(shàng)，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撰文(zhuànwén)称赞：“能够在实验室研究类似(lèisì)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(zhǐshì)一个起点。”杜灵杰说(shuō)，未来新型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”的坚守与(yǔ)传承 “如果这次实验最后没有(méiyǒu)达到预期(yùqī)目标，多年来的努力是‘一场空’怎么办？”面对质疑基础研究(yánjiū)“无用”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻：“研究基础物理就像种树，要甘愿(gānyuàn)花时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树的一天。” 在杜灵杰看来，育人亦是(shì)如此。在“黑屋子”实验室的(de)角落里，有一张简易的长桌，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(yībù)的方案。 “杜老师(lǎoshī)很少(hěnshǎo)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，“有时候讨论会一开就是三四个小时，每个人畅所欲言，直到(zhídào)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，对最新研究方向(fāngxiàng)把控很精准，一旦确认目标就会迅速着手推进，即使遇到再大困难也(yě)从未见过(cóngwèijiànguò)他叹气。 言传身教中，学生们学会了(le)面对困难不退缩(tuìsuō)。博士生王一帆(wángyīfān)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(yīn)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(qīngyán)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(chǎnchū)速度并不是很快，但比起(bǐqǐ)摘‘低处的桃子’，杜老师更愿意让我们静下心来，真正攻克一些处于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(yòng)科研为国家发展作出贡献。”王一帆(wángyīfān)说。 身为“85后”的(de)杜(dù)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，要敢于走出(zǒuchū)‘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，就坚定地往前走。”这是杜灵杰常挂在嘴边的话。 今天的(de)“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的量子物态。在探寻科学之光的道路上(shàng)，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以(jiāoyǐ)璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）