杜灵杰：量子世界追光者

“年轻人(niánqīngrén)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，就坚定地(dì)往前走。” 尽管是(shì)白天，南京大学鼓楼校区的一间实验室里仍(réng)“伸手不见五指”。 这里门窗紧闭，没有(méiyǒu)任何照明光源，设备发出的光亮在(zài)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(wùlǐ)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(wūzilǐ)，杜灵杰带领团队展开了(le)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了2024年度(niándù)“中国科学(kēxué)十大进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜灵杰(língjié)从北京捧回(huí)第29届(jiè)中国青年五四奖章。“获奖对于我来说，既是(shì)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，它一直存在于量子物理学家的假设(jiǎshè)中，寻找引力子关系到广义(guǎngyì)相对论和量子力学的统一(tǒngyī)，被视为物理学的“终极难题”之一。 “我们可以将时空想象为一张弹性布，把苹果(píngguǒ)想象成一个质量巨大的(de)(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，这种形变的波动类似时空的‘涟漪(liányī)’，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(xíngxiàng)地解释道。 一切源于(yuányú)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)强化部。进入研究生阶段后，与(yǔ)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(le)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(shìjiè)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(wùlǐxué)纯粹而有趣，量子世界充满(chōngmǎn)了不(bù)确定性和可能性，这种“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。硕士毕业后，杜灵杰选择去美国攻读物理学(wùlǐxué)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实验(shíyàn)研究，开始接触分数量子霍尔(huòěr)效应。 其实(qíshí)，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(zi)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(yǔ)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(dù)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导师，从零开始搭建实验室，开展基础研究工作(gōngzuò)。 “我从(cóng)来没想过(guò)在国外待一辈子，从规划(guīhuà)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(de)超低温、强于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(kēkè)的实验条件听起来似乎是(shì)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，但始终没有突破。 在没有现成设备(shèbèi)(shèbèi)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(jíchéng)组装了一套极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(shàng)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”。 为了捕捉微弱的光(guāng)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遮住(zhù)，连门缝都用黑胶带细心封住。久而久之(jiǔérjiǔzhī)，这里便有了一个亲切的名字——“黑屋子”。 设备建成后，真正的(de)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(jǔbùwéijiān)。“我们的研究(yánjiū)工作必须在‘黑(hēi)屋子’里展开，通常是从早上8点(diǎn)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前行(qiánxíng)，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(bàofēngyǔ)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(shēnyè)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(cānshù)，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(fāxiàn)了引力子激发的微弱信号。团队十分兴奋，迅速将(jiāng)观测结果形成论文并向《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，杜灵杰的发现再次被国外专家质疑，“你怎么知道(zhīdào)自旋为2的激发就一定(yídìng)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，分数量子霍尔效应中的(de)引力子模最明显的特征就是自旋为2，杜灵杰陷入了思维定式(dìngshì)，前期实验也循(xún)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(dǎjī)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“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(yǐnlì)子(zi)模的特征能量证据，研究成果发表(fābiǎo)在《自然》上，这也是世界上首次(shǒucì)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(àiyīnsītǎn)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(diànziqìjiàn)和新型材料将得益于这种对物质微观(wēiguān)结构的深入理解，它将改变世界。 “种树(zhòngshù)者”的坚守与传承 “如果这次实验最后没有达到预期目标，多年来的(de)努力是(shì)‘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：“研究基础物理就像(xiàng)种树，要甘愿花时间施肥、精心养护，耐心等待它长成参天大树的一天(yītiān)。” 在杜灵杰看来，育人亦是如此。在“黑屋子”实验室的角落里，有(yǒu)一张简易的长桌，那是团队平时(píngshí)讨论问题的地方。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(dáàn)，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(tèdiǎn)，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，直到大家找到问题的症结所在。” 在学生们(men)眼中，杜(dù)灵杰是一个对科研有巨大热情的(de)人，对最新研究方向把控很精准，一旦确认目标就会迅速着手推进，即使遇到再大困难也从未见过他叹气。 言传身教中(zhōng)，学生们学会了面对困难不退缩。博士生王一帆还记得第一次独立(dúlì)搭建光路开展实验的经历，那(nà)段时间她因无法测出信号而感到绝望，甚至(shènzhì)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(ànzhào)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’，杜老师更愿意(yuànyì)让(ràng)我们静下心来(jìngxiàxīnlái)，真正攻克一些处于科学技术前沿的问题，不仅是为(wèi)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(de)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(shì)年轻人，要敢于走出‘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(dàolù)。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，这群年轻人正在(zài)耐心捕捉一种新的量子物态。在探寻科学之光的道路上，他们无所畏惧(wúsuǒwèijù)，一往无前。（本报记者 焦以(jiāoyǐ)璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）