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(de)道路。方向找准了，就坚定(jiāndìng)地往前走。” 尽管(jǐnguǎn)是白天，南京大学鼓楼校区(xiàoqū)的一间实验室里仍“伸手不见五指”。 这里(zhèlǐ)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(ruòyǐnruòxiàn)，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(dù)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(zhèjiān)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)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(shídà)进展”和2024年度“中国十大科技(kējì)进展新闻”。 不久前，杜灵杰(língjié)从北京捧回第29届中国青年五四(wǔsì)奖章(jiǎngzhāng)。“获奖对于我来说，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(lǐngyù)，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(zhōng)，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。 “我们可以将(jiāng)时空想象为一张弹性布，把(bǎ)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(āoxiàn)，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(yǐnlì)，这种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(duì)自然现象刨根问底，本科(běnkē)时，他就读于南京大学理科强化部(bù)。进入研究生阶段后(hòu)，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(xiǎngyào)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(wùlǐxué)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，令人着迷(zháomí)。 兴趣，引领着杜灵杰(língjié)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(jiēduàn)，他开始(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(yǒu)科学家预言，凝聚态物质(wùzhì)中可能存在一种分数量子(zi)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(suì)的杜灵杰(língjié)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导师，从零开始(cónglíngkāishǐ)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(de)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(língjié)回国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：接近绝对零度的超低温、强于地球磁场数万倍的强磁场(qiángcíchǎng)，以及能(néng)捕捉到微弱(wēiruò)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(zhōng)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强磁场共振(gòngzhèn)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(bǔzhuō)微弱的光信号，他们需要营造(yíngzào)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(xìxīn)封住。久而久之，这里便有了一个亲切的名字——“黑屋子”。 设备(shèbèi)建成后，真正的挑战才刚刚开始，即便有“利器在手”，量子世界的探索(tànsuǒ)仍旧举步维艰。“我们的研究工作(gōngzuò)必须在‘黑(hēi)屋子’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨一两点。”杜灵杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人员(rényuán)需要(xūyào)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，而最终的数据可能只是一个微弱的峰值。 在(zài)杜灵杰看来，寻找引力子就像在一场暴风雨中听心跳，需要把噪声降到宇宙背景辐射的十亿分之一(zhīyī)。深夜时分，当学生们陆续离开(líkāi)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。“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(dù)灵杰终于在(zài)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(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的激发就一定(yídìng)是(shì)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(sīlù)可能错了。 因为(wèi)按照理论，分数(fēnshù)量子霍尔效应中的引力(yǐnlì)子模最明显的特征就是自旋为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低谷，杜灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心(nàixīn)点儿，沉住气”，自己依旧一整天“泡”在(zài)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了引力子(zi)模的特征能量证据，研究成果发表(fābiǎo)在《自然(zìrán)》上，这也是世界上首次在分数量子(liàngzǐ)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称赞：“能够在实验室研究类似引力子的粒子(lìzi)，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。”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(shēnrù)理解，它将改变世界。 “种树(zhòngshù)者”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(wúyòng)”的声音，杜灵杰常用“种树”来比喻(bǐyù)：“研究基础物理就像种树，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。杜灵杰经常(jīngcháng)会和学生们(men)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(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(chàngsuǒyùyán)，直到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(duì)科研有巨大热情的人，对最新(zuìxīn)研究方向把控很精准，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，学生们学会了面对困难不退缩。博士生王一帆(wángyīfān)还记得第一次独立搭建光路开展实验的经历，那段时间她因无法(wúfǎ)测出信号(xìnhào)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(xìtǒng)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(wǒmen)实验室的产出速度并(bìng)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(wángyīfān)说。 身为(shēnwèi)“85后”的杜灵杰认为自己与学生年龄差距并不大，有(yǒu)许多共同语言。“大家都是年轻人，要(yào)敢于走出‘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(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 焦以璇(xuán) 通讯员 于玥晗 颜修齐）