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，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了(le)，就(jiù)坚定地往前走。” 尽管是白天(báitiān)，南京大学鼓楼校区的一间实验室里仍“伸手不见五指(shēnshǒubùjiànwǔzhǐ)”。 这里门窗紧闭，没有任何照明光源(guāngyuán)，设备发出(fāchū)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”。 就在这间黑屋子里，杜灵杰带领团队(tuánduì)展开了一场追光之旅——在世界范围内首次(shǒucì)发现具有(jùyǒu)引力子特征的(de)准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果同时入选了2024年度“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(shì)一种激励也(yě)是一种责任(zérèn)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(rènzhī)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粒子(lìzi)——引力子。自20世纪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(guǎngyì)相对论(xiāngduìlùn)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(kěyǐ)将时空(shíkōng)想象为一张弹性布，把苹果想象成一个质量巨大的物体，放在紧绷的布料上会产生凹陷，如果从布的一边轻轻地(dì)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，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(jiěshì)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(páogēnwèndǐ)，本科时，他就读于南京大学理科强化部(bù)。进入(jìnrù)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“超前”却被贴上“没什么用”标签(biāoqiān)的量子物理。 “我喜欢沉浸(chénjìn)在(zài)纯粹的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(zháomí)。 兴趣，引领着杜灵杰一路攀登(pāndēng)科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择去(qù)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。在博士后阶段，他开始(kāishǐ)尝试全新的光学实验研究，开始接触分数量子(liàngzǐ)霍尔效应。 其实，多年前就有科学家预言(yùyán)，凝聚态物质中(zhōng)可能存在一种分数量子霍尔引力子，表现为低能模式激发(jīfā)，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(xiàng)在地球上观察(guānchá)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。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外合作导师(dǎoshī)(dǎoshī)的极力挽留，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(dānrèn)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(chūguó)的那天起，我就知道(zhīdào)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。 杜灵杰回国(huíguó)后面临的第一个挑战，就是从零开始搭建实验室。 实验需要同时满足三个极限条件：接近绝对零度的(de)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。这样苛刻的实验条件听起来似乎是天方夜谭(tiānfāngyètán)，而杜灵杰(língjié)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(xià)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(jí)低温强磁场共振非弹性偏振光散射(sǎnshè)系统。历时3年，他们(tāmen)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(liǎngcénglóu)高，如同一台超大号的“显微镜”。 为了捕捉微弱的(de)光信号，他们需要营造一个黑暗的环境，窗户被厚重(hòuzhòng)的窗帘严丝合缝地遮住，连门缝都用黑胶带(jiāodài)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(lìqì)在手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究(yánjiū)工作必须在‘黑屋子’里展开，通常(tōngcháng)是从早上8点开始，直至次日凌晨(língchén)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(dēngguāng)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，而最终的数据可能只是(zhǐshì)一个微弱的峰值。 在杜灵杰看来，寻找引力子就像(xiàng)在一场暴风雨中听心跳，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，杜灵杰还会留下来(liúxiàlái)再检查一遍设备参数，确保万无一失(wànwúyīshī)。“做实验就像照顾一个孩子，需要细心、耐心和恒心。”他常对(duì)学生们说。 历经重重困难，杜灵杰终于在海量数据中发现(fāxiàn)了引力子激发的微弱信号(xìnhào)。团队十分兴奋，迅速(xùnsù)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”。 在随后一次国际(guójì)会议上，杜灵杰(língjié)的发现再次被国外专家质疑，“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(yánjiū)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最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入(xiànrù)了思维定式，前期实验也循着(zhe)这一思路展开，“事实上，引力子模的特征能量同样重要(zhòngyào)”。 接二连三的打击让团队陷入低谷，杜灵杰内心煎熬着，但他(tā)仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天(yīzhěngtiān)“泡”在实验室(shíyànshì)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(le)引力子模的特征能量证据，研究成果发表在《自然》上(shàng)，这也(yě)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(yǒuwàng)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。”杜灵杰说，未来新型电子器件和新型材料将(jiāng)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(zhècì)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？”面对质疑基础研究“无用”的声音(shēngyīn)，杜灵杰常用“种树”来比喻：“研究基础物理就像种树，要(yào)甘愿花时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树(cāntiāndàshù)的一天。” 在杜(dù)灵杰看来，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，那是团队平时讨论问题(wèntí)的地方。杜灵杰经常会和学生们围坐在这里(zhèlǐ)，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(měimíng)学生的特点，因材施教，充分激发大家(dàjiā)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(zhēngjiésuǒzài)。” 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(yídàn)确认目标就会迅速着手推进，即使遇到再大困难(kùnnán)也从未见过他叹气。 言传身教中，学生们学会了(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(de)经历，那段时间她因无法测出信号而感到绝望(juéwàng)，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(bùdàng)。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(ràng)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(wèile)满足最原始(yuánshǐ)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(língjié)(língjié)认为自己与学生年龄差距并不大(bìngbùdà)，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’，瞄准最前沿，闯出一条(yītiáo)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(niánqīngrén)正在耐心捕捉一种新(xīn)的量子物态。在探寻科学之光的道路(dàolù)上，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）