南京大學物理學院教授杜靈杰：在量子世界中探索奧秘

　　在南京大學物理學院教授杜靈杰看來，量子物理研究有趣而純粹，他投身其中，不斷探索科學的奧秘。今年3月，杜靈杰團隊的一項最新研究成果發表在《自然》雜志，引發關注。勇探科研前沿、從無到有搭建實驗設備、在研究中不斷突破思維定勢，杜靈杰說，是濃厚的興趣引領他堅持不懈，步履不停。

　　最近，1986年出生的南京大學物理學院教授杜靈杰“火”了。

　　3月28日，《自然》雜志發表了杜靈杰團隊的一項最新研究成果。他們利用極端條件下的偏振光散射技術，在砷化鎵量子阱中對分數量子霍爾效應的集體激發進行了測量。這是引力子這一概念被提出以來，世界范圍內首次在真實系統中發現具有引力子特征的準粒子，被領域內的理論學家們稱為分數量子霍爾效應引力子。

　　這一成果引起了學界和媒體的高度關注。杜靈杰說，是興趣引領著自己前行，沉浸在純粹的量子物理的世界中自在探索，想要觀察它將給這個世界帶來什么改變。

　　興趣引領，向科研前沿發起挑戰

　　杜靈杰出生在江蘇鎮江，從小就喜歡對自然現象刨根問底，上了高中，他發現自己好奇的問題都屬于物理學范疇，便選擇了理科，本科時進入南京大學理科強化部就讀。

　　讀研時，杜靈杰選擇了量子物理方向。這一選擇在當時看來有些出人意料，因為那時的量子物理還是一個“有點看似不著邊際”的領域——學習它會有什么“用處”，還不明確。而杜靈杰正是看中了它的“有趣而純粹”。

　　碩士研究生畢業后，杜靈杰在博士研究生階段選擇了半導體作為進一步研究量子物理的載體。為了拓展研究視野，到了博士后階段，他開始嘗試全新的光學實驗研究，開始接觸分數量子霍爾效應。

　　分數量子霍爾效應中存在著微觀世界里一種從來沒被發現過的全新物態，只有在極端條件下才會被觀測到。它的出現打開了人類認識世界的一扇窗口，但也因為觀測條件的嚴苛，研究難度極高，研究者相對較少。

　　2019年，杜靈杰與合作者首次在光學觀測中，發現分數量子霍爾效應中出現集體激發，即大量電子集體性的能量躍遷——就像平靜的湖面上突然激起數不清的、不同形狀的漣漪。論文發出后，被理論物理學家認為可能是分數量子霍爾效應引力子存在的證據。

　　其實，多年前就有理論預言，凝聚態物質中可能存在一種分數量子霍爾效應引力子。由于它的行為規律與引力子類似，被形象地稱為引力子在凝聚態物質中的“投影”。但尋找這一“投影”、弄清背后機制的實驗非常艱難。

　　2019年，杜靈杰結束博士后工作，回到南京大學物理學院從事科研工作。他決定，要向這一科研前沿發起挑戰。

　　歷時3年，從無到有搭建觀測“望遠鏡”

　　實驗的前提是要有合適的儀器設備。然而當時，在全世界范圍內也沒有符合要求的實驗設備。因為實驗的條件極其苛刻，而且還看似自相矛盾。實驗的必要條件，一個是強磁場，比地球常規磁場強度高出10萬倍；另一個是極低溫，比物理學意義上絕對零度（零下273.15攝氏度）高出0.05攝氏度。

　　雖然強磁場和極低溫環境可以通過設備來實現，但實驗過程中需要進行光學測量，設備上就要安裝“窗戶”。有了光，樣品的溫度就會升高，從而破壞敏感的分數量子霍爾效應，造成觀測失敗。

　　“國外團隊采用濕式稀釋制冷，每天往實驗裝置中灌入液氦來實現降溫。但我們采用的是干式稀釋制冷，即用壓縮機制冷。”杜靈杰解釋，壓縮氣體的過程中會造成振動，讓實驗難上加難。此外，南方潮濕的環境對光學實驗也是一大挑戰。

　　怎樣消除升溫、振動、濕度變化等帶來的影響？經過一次次嘗試，杜靈杰發現，“做減法”這條路走不通，那就只能“做加法”：他和學生們從頭開始設計，使用新的特殊材料減震，通過光學干涉來降低熱輻射，一點點攻克難題。

　　為了讓各項指標符合實驗要求，從2019年8月到2022年8月，歷時整整3年，杜靈杰終于帶領團隊從無到有設計組裝出實驗裝置，放置在一間“攢出”的恒溫恒濕“超凈間”中。這個大型裝置長約8米、寬約5米、高約9米，具備光源和探測器，如同超大號“顯微鏡”，又像是超級“望遠鏡”。

　　2022年下半年，這臺“望遠鏡”開始投入運行。在之后的4個月中，杜靈杰團隊夜以繼日在量子阱中尋找著引力子激發存在的證據，卻始終一無所獲。

　　杜靈杰并不灰心。他將自己關在房間里，反復對比大量數據，終于從海量數據里發現了引力子激發的微弱信號。之后他們在分數量子霍爾效應中測量出這一信號具有自旋為2的特性，進一步確認了其是引力子激發。

　　杜靈杰開心極了，他以為經過長途跋涉，終于迎來成功。然而現實卻給了他當頭一棒。凝聚多年心血撰寫的論文被《自然》雜志退回了，理由是“證據不足”。

　　前路又迷茫起來。

　　打破思維定勢，迎來科研突破

　　還沒有從投稿被拒的陰影中走出來，杜靈杰又遭到了一次打擊。

　　去年7月召開的一次國際會議上，一名專家向杜靈杰提出問題：“引力子激發自旋為2，但自旋為2的一定是引力子激發嗎？”

　　這一下把杜靈杰問住了。“此前，我一直陷在思維定勢里，和同行們一樣，對領域中的‘硬骨頭’采取回避態度。現在必須正面攻克，我意識到，探索的道路還非常漫長。”杜靈杰說。

　　回到實驗室，他重新振作起來。“文章發表固然重要，但是對科學工作者來說，更重要的是把科學問題搞清楚。我們向科研前沿發起挑戰，即使失敗了，至少能排除一種方案，也算是一個成功。”他這樣鼓勵自己。

　　這回，杜靈杰關注到了此前不曾關注的數據，意識到極小動量的激發測量是解決問題的關鍵，從而設計了新的實驗，“經過半年的測量，我們發現，激發信號除了自旋為2這個最顯著特性之外，還有一項關鍵特性——具有特征能量。”

　　今年1月，杜靈杰受邀參加了一場分數量子霍爾效應領域的國際會議。這次，他拿出有力的實驗證據，解答了去年被質疑的問題。包括之前那名專家在內的與會學者向這名青年科學家報以掌聲。分數量子霍爾效應引力子的實驗發現得到了國際學界的認可。3月，杜靈杰團隊的論文在《自然》雜志發表，這也是世界上首次觀察到引力子在凝聚態物質中的新奇準粒子。

　　“人生沒有標準答案，做科研是不斷打破思維定勢的過程。”這是杜靈杰的親身感受，也是他的人生態度。對于未來的研究方向，他同樣不設限，“對純粹的物理世界的興趣，引領著我不斷去拓展新的領域，研究新的課題，探索自然科學的奧秘。”