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，就(jiù)坚定地(dì)往前走。” 尽管(jǐnguǎn)是(shì)白天，南京大学鼓楼校区的一间实验室里仍“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(de)光亮在黑暗中若隐若现(ruòyǐnruòxiàn)，耳边不时(bùshí)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，紧盯着闪烁的数据屏，不放过一丝“蛛丝马迹”。 就在这间黑屋子里，杜(dù)灵杰(língjié)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准粒子(lìzi)，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，杜灵杰从北京捧回第(dì)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，是在激励我要瞄准最前沿、引领(yǐnlǐng)新方向，用(yòng)研究成果(yánjiūchéngguǒ)拓展认知边界、推动学科突破。”杜灵杰说。 在(zài)物理学领域，存在着一个近乎传说的粒子——引力子。自20世纪30年代提出(tíchū)以来，它(tā)一直存在于量子物理学家(wùlǐxuéjiā)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。 “我们可以(kěyǐ)将时空想象为一张弹性布，把苹果想象成一个质量巨大(jùdà)的物体，放在紧绷的布料上会(huì)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(jiùshì)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，他就读于南京大学理科(lǐkē)强化(qiánghuà)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“超前”却被(bèi)贴上(shàng)“没什么用”标签的量子物理。 “我喜欢沉浸在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(dàilái)什么改变。”谈及选择量子物理的原因(yuányīn)，杜灵杰坦言，物理学(wùlǐxué)纯粹而有趣，量子世界充满了不确定性和可能性，这种(zhèzhǒng)“既存在又不存在”的量子态，令人着迷。 兴趣，引领着杜灵杰一路攀登科研高峰(gāofēng)。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(gēlúnbǐyàdàxué)从事博士后研究。在博士后阶段，他开始尝试全新的光学实验研究，开始接触(jiēchù)分数(fēnshù)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一种分数量子霍尔引力子，表现为低能模式(móshì)激发，也被称为引力子模或引力子激发。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(shàng)观察不到(búdào)遥远(yáoyuǎn)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，不顾海外合作导师的极力挽留(wǎnliú)，33岁的杜灵杰(língjié)毅然选择(xuǎnzé)回国，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。 “我从(cóng)来没想过在国外(guówài)待一辈子，从规划出国的那天起，我就知道我是要回来的，出国学习就是为了有朝一日(yǒuzhāoyīrì)可以报效祖国。”杜灵杰说。 杜灵杰回国后面临的第一个挑战，就是从零开始搭建实验室(shíyànshì)。 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、强于地球磁场数万倍的强磁场，以及(yǐjí)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(qíngkuàng)下才能观测。当时，很多(hěnduō)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(zìzhǔ)设计并集成组装了一套极低温强磁场共振非弹性(tánxìng)偏振光散射系统。历时3年，他们终于搭建出世界(shìjiè)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(xiǎnwēijìng)”。 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(chuānghù)被厚重的窗帘严丝合缝地遮住(zhēzhù)，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(cái)刚刚开始，即便有“利器(lìqì)在手”，量子世界的探索(tànsuǒ)仍旧举步维艰。“我们(wǒmen)的研究工作必须在‘黑屋子(wūzi)’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，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人员需要在黑暗中摸索(ànzhōngmōsuǒ)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(yígè)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(xīntiào)，需要把噪声降到宇宙背景(bèijǐng)辐射的十亿分之一(zhīyī)。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、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(wēiruò)信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果(jiéguǒ)形成论文并向《自然》投稿，没想到却(què)被回复“证据不足”。 在(zài)随后一次国际会议上，杜灵杰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(jiù)一定是引力子模呢？”这一问如同(rútóng)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最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维(sīwéi)定式，前期实验也循着这(zhè)一思路展开，“事实上，引力子模的特征能量(néngliàng)同样重要”。 接二连三的打击让(ràng)团队陷入低谷，杜灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天(yīzhěngtiān)“泡”在实验室里分析(fēnxī)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特征能量证据，研究(yánjiū)成果发表在《自然(zìrán)》上(shàng)，这也是世界上首次在分数量子霍尔效应(xiàoyìng)中观察到引力子激发。美国哥伦比亚大学量子研究院撰文称赞：“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(yǔ)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)得益于这种对(duì)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，杜灵杰常用“种树”来比喻(bǐyù)：“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(tā)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(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(dìfāng)。杜灵杰经常会和学生们围坐在(wéizuòzài)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(zhíjiē)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(chàngsuǒyùyán)，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(bǎ)控很精准，一旦确认目标就会迅速着手(zhuóshǒu)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)面对困难不退缩。博士生王一帆还记得第一次独立搭建光路开展(kāizhǎn)实验的(de)经历(jīnglì)，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(chǎnchū)速度并不是很快，但比起摘‘低处的桃子’，杜(dù)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(bùjǐn)是为了满足最原始的好奇心(hàoqíxīn)，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(chājù)并不大，有许多共同语言。“大家都是(shì)年轻人，要敢于走出‘舒适区(qū)’、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(niánqīngrén)正在耐心捕捉一种新的量子物态。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(jiāoyǐ)璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）