杜灵杰：量子世界追光者
杜灵杰：量子世界追光者
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(zuìqiányán)，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了(le)，就坚定地往前走。”
尽管是白天，南京大学鼓楼校区的(de)一间实验室里仍(réng)“伸手不见五指”。
这里门窗紧闭，没有任何照明光源，设备发出的光亮(guāngliàng)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(nánjīngdàxué)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(zhūsīmǎjì)”。
就在这间黑屋子里，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)准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果(zhòngdàchéngguǒ)同时入选了2024年度“中国科学十大(shídà)进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻(xīnwén)”。
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(láishuō)，既是一种激励也是一种责任跟(gēn)动力，是在激励我要瞄准(miáozhǔn)最前沿、引领新方向，用研究成果拓展认知(rènzhī)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(de)粒子——引力(yǐnlì)子。自20世纪30年代提出以来(yǐlái)，它一直存在于量子物理学家的假设中，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(bù)，把苹果想象成一个(yígè)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，这种形变的波动(bōdòng)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强化部。进入研究生阶段后(hòu)，与周围同学(tóngxué)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”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，想要观察它将给这个(zhègè)世界带来什么(shénme)改变。”谈及选择量子物理的原因，杜灵杰坦言(tǎnyán)，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(jì)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(gōngdú)物理学博士学位(bóshìxuéwèi)，此后又在哥伦比亚大学从事博士后研究。在博士后阶段(jiēduàn)，他开始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(zimó)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(língjié)说。
2019年(nián)，不顾海外合作导师的极力挽留，33岁的杜灵杰(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，从零开始搭建实验室，开展(kāizhǎn)基础研究工作。
“我从(cóng)来没想过在国外待一辈子，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(wèile)有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说(shuō)。
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(bǔzhuōdào)微弱信号的光学系统(guāngxuéxìtǒng)。这样苛刻的实验条件听起来似乎(sìhū)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下才能观测。当时，很多(hěnduō)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(yītào)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第一台(yītái)(dìyītái)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(wèile)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遮住，连门缝都用黑胶带细心(xìxīn)封住。久而久之，这里(zhèlǐ)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(gānggāngkāishǐ)，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作必须在‘黑屋子’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨一两点。”杜(dù)灵杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易(róngyì)。研究人员需要(xūyào)在黑暗中摸索前行，通过微弱的仪表灯光(dēngguāng)辨认(biànrèn)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(hòu)，杜灵杰还会留下来再检查(jiǎnchá)一遍(yībiàn)设备参数，确保(quèbǎo)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信号(xìnhào)。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文并(bìng)向《自然》投稿，没想到却被(bèi)回复“证据不足”。
在随后一次国际会议上，杜灵杰的发现再次(zàicì)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(sīlù)可能错了。
因为按照理论，分数量子霍尔效应(xiàoyìng)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(yě)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(dù)灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气(chénzhùqì)”，自己(zìjǐ)依旧一整天“泡”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(guānchá)到(dào)了引力(yǐnlì)子模的特征能量证据，研究成果发表在《自然》上，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(shíyànshì)研究类似引力子的粒子，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，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(jiégòu)的深入理解，它将改变世界。
“种树者”的坚守(jiānshǒu)与传承
“如果这次实验最后(zuìhòu)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：“研究基础物理(wùlǐ)就像种树，要(yào)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，育人亦是如此。在“黑屋子(wūzi)”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的地方。杜灵杰经常会和学生们围坐在(wéizuòzài)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(bóshìshēng)杨子灏看来(kànlái)，导师注重了解每名学生的特点，因材施教，充分激发(jīfā)大家的潜力，“有时候讨论会一开就是三四个小时，每个人(rén)畅所欲言，直到大家找到问题的症结所在。”
在学生们眼中(yǎnzhōng)，杜灵杰是一个(yígè)对科研有(yǒu)巨大热情的人，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，学生们学会了面对困难不退缩。博士生王一帆还记得(jìde)第一次独立搭建光路(lù)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，甚至产生了放弃的念头(niàntou)。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(shì)很快，但比起摘‘低处的桃子’，杜老师更(gèng)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(shuō)。
身为“85后”的(de)杜灵杰认为自己与学生年龄(niánlíng)差距并不大，有许多(xǔduō)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，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。”这(zhè)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(hēiàn)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，他们无所畏惧，一往无前(yīwǎngwúqián)。（本报记者 焦以璇(xuán) 通讯员 于玥晗 颜修齐）
“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。方向找准了(le)，就坚定地往前走。”
尽管是白天，南京大学鼓楼校区的(de)一间实验室里仍(réng)“伸手不见五指”。
这里门窗紧闭，没有任何照明光源，设备发出的光亮(guāngliàng)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(nánjīngdàxué)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(zhūsīmǎjì)”。
就在这间黑屋子里，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)准粒子，这一从“0”到“1”的重大成果(zhòngdàchéngguǒ)同时入选了2024年度“中国科学十大(shídà)进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻(xīnwén)”。
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(láishuō)，既是一种激励也是一种责任跟(gēn)动力，是在激励我要瞄准(miáozhǔn)最前沿、引领新方向，用研究成果拓展认知(rènzhī)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(de)粒子——引力(yǐnlì)子。自20世纪30年代提出以来(yǐlái)，它一直存在于量子物理学家的假设中，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(bù)，把苹果想象成一个(yígè)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，这种形变的波动(bōdòng)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强化部。进入研究生阶段后(hòu)，与周围同学(tóngxué)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”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，想要观察它将给这个(zhègè)世界带来什么(shénme)改变。”谈及选择量子物理的原因，杜灵杰坦言(tǎnyán)，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(jì)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(gōngdú)物理学博士学位(bóshìxuéwèi)，此后又在哥伦比亚大学从事博士后研究。在博士后阶段(jiēduàn)，他开始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(zimó)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(língjié)说。
2019年(nián)，不顾海外合作导师的极力挽留，33岁的杜灵杰(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，从零开始搭建实验室，开展(kāizhǎn)基础研究工作。
“我从(cóng)来没想过在国外待一辈子，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(wèile)有朝一日可以报效祖国。”杜灵杰说(shuō)。
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(bǔzhuōdào)微弱信号的光学系统(guāngxuéxìtǒng)。这样苛刻的实验条件听起来似乎(sìhū)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下才能观测。当时，很多(hěnduō)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(yītào)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第一台(yītái)(dìyītái)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(wèile)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遮住，连门缝都用黑胶带细心(xìxīn)封住。久而久之，这里(zhèlǐ)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(gānggāngkāishǐ)，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“我们的研究工作必须在‘黑屋子’里展开，通常是从早上8点开始，直至次日凌晨一两点。”杜(dù)灵杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易(róngyì)。研究人员需要(xūyào)在黑暗中摸索前行，通过微弱的仪表灯光(dēngguāng)辨认(biànrèn)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(hòu)，杜灵杰还会留下来再检查(jiǎnchá)一遍(yībiàn)设备参数，确保(quèbǎo)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信号(xìnhào)。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成论文并(bìng)向《自然》投稿，没想到却被(bèi)回复“证据不足”。
在随后一次国际会议上，杜灵杰的发现再次(zàicì)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(sīlù)可能错了。
因为按照理论，分数量子霍尔效应(xiàoyìng)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(yě)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(dù)灵杰内心煎熬着，但他仍鼓励学生“耐心点儿，沉住气(chénzhùqì)”，自己(zìjǐ)依旧一整天“泡”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(guānchá)到(dào)了引力(yǐnlì)子模的特征能量证据，研究成果发表在《自然》上，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(shíyànshì)研究类似引力子的粒子，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，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(jiégòu)的深入理解，它将改变世界。
“种树者”的坚守(jiānshǒu)与传承
“如果这次实验最后(zuìhòu)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：“研究基础物理(wùlǐ)就像种树，要(yào)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，育人亦是如此。在“黑屋子(wūzi)”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的地方。杜灵杰经常会和学生们围坐在(wéizuòzài)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(bóshìshēng)杨子灏看来(kànlái)，导师注重了解每名学生的特点，因材施教，充分激发(jīfā)大家的潜力，“有时候讨论会一开就是三四个小时，每个人(rén)畅所欲言，直到大家找到问题的症结所在。”
在学生们眼中(yǎnzhōng)，杜灵杰是一个(yígè)对科研有(yǒu)巨大热情的人，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，学生们学会了面对困难不退缩。博士生王一帆还记得(jìde)第一次独立搭建光路(lù)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，甚至产生了放弃的念头(niàntou)。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(shì)很快，但比起摘‘低处的桃子’，杜老师更(gèng)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(shuō)。
身为“85后”的(de)杜灵杰认为自己与学生年龄(niánlíng)差距并不大，有许多(xǔduō)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，闯出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。”这(zhè)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(hēiàn)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，他们无所畏惧，一往无前(yīwǎngwúqián)。（本报记者 焦以璇(xuán) 通讯员 于玥晗 颜修齐）
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