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(miáozhǔn)最前沿，闯(chuǎng)出一条前人未曾走过的道路。方向找准了，就坚定地往前走。” 尽管是白天，南京大学鼓楼(gǔlóu)校区(xiàoqū)的一间实验室里仍“伸手不见五指”。 这里门窗紧闭(jǐnbì)，没有任何(rènhé)照明光源(guāngyuán)，设备发出的光亮在黑暗中若隐若现，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(jiù)在这间黑屋子里，杜灵杰带领(dàilǐng)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(zhǔn)粒子，这一从“0”到“1”的重大成果(zhòngdàchéngguǒ)同时入选了2024年度“中国科学十大进展”和2024年度“中国十大科技进展新闻”。 不久前，杜(dù)灵杰从北京捧回(huí)第29届中国青年五四奖章。“获奖对于我来说，既(jì)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(de)粒子——引力(yǐnlì)子。自20世纪30年代提出(tíchū)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(shíkōng)想象(xiǎngxiàng)为一张弹性布，把苹果想象成一个质量巨大的物体，放在紧绷的布料(bùliào)上会产生凹陷，如果(rúguǒ)从布(cóngbù)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’，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(shí)，他就读于南京大学(nánjīngdàxué)理科(lǐkē)强化部。进入研究生阶段后，与周围同学大多选择实用性更强(gèngqiáng)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(xǐhuān)沉浸在纯粹的量子(liàngzǐ)物理世界中自在探索，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(dù)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“既存在又不存在”的量子态，令人着迷。 兴趣，引领着(zhe)杜(dù)灵杰一路攀登科研高峰。硕士毕业后，杜灵杰选择去美国(měiguó)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。在博士后阶段，他开始尝试全新(quánxīn)的光学实验研究，开始接触分数量子霍尔效应。 其实，多年前就有科学家预言，凝聚态物质中(zhōng)可能存在一种分数量子霍尔引力(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(xīngqiú)的细节，但可以通过(tōngguò)其投下(tóuxià)的影子了解它的特性。”杜灵杰说。 2019年，不顾海外(hǎiwài)合作(hézuò)导师的极力挽留，33岁的杜灵杰毅然选择回国，加入母校南京大学物理学院担任(dānrèn)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(wǒ)从来没想过在国外待一辈子(yībèizi)，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可以报效祖国。”杜(dù)灵杰说。 杜灵杰回国后面临的第一个挑战(tiǎozhàn)，就是从零开始搭建实验室。 实验需要同时(tóngshí)满足三个极限条件：接近绝对零度的(de)(de)超低温、强于地球磁场数万倍(bèi)的强磁场，以及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(tūpò)。 在没有现成设备的情况下(xià)，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)能够观测“引力子激发(jīfā)”的实验设备，足有两层楼高，如同一台超大号的“显微镜”。 为了捕捉微弱的光信号，他们需要(xūyào)营造一个黑(hēi)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(tiǎozhàn)才刚刚开始，即便有“利器在(zài)手”，量子世界的探索仍旧举步维艰。“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(diǎn)开始，直至次日凌晨(língchén)一两点。”杜灵杰(língjié)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，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，寻找引力子就像在一场(yīchǎng)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(shífēn)，当学生们(men)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(héngxīn)。”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(zi)激发的微弱信号。团队十分兴奋，迅速将观测结果形成(xíngchéng)论文并(bìng)向《自然》投稿，没想到却被回复“证据不足”。 在随后一次(yīcì)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(zìxuán)为2的激发就一定是引力(yǐnlì)子模呢？”这一问如同当头一棒，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(liàngzǐ)霍尔效应中的引力子模最明显的特征(tèzhēng)就是自旋为2，杜灵杰陷入(xiànrù)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(xiànrù)低谷，杜灵杰(língjié)内心煎熬着，但他仍(réng)鼓励学生“耐心点儿，沉住气”，自己依旧一整天“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(tuánduì)终于观察到了引力(yǐnlì)子模的特征能量证据，研究成果发表在《自然》上(shàng)，这也是世界上首次在分数量子霍尔(huòěr)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(chēngzàn)：“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相对论之间的鸿沟。” “这只是一个(yígè)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结构的深入理解，它将改变世界。 “种树者”的坚守与传承(chuánchéng) “如果这次实验最后没有达到预期目标，多年来的(de)(de)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(zhòngshù)”来比喻：“研究基础物理就像种树，要(yào)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。” 在杜灵杰看来，育人亦是(shì)如此。在“黑屋子”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，共同回顾实验进展(jìnzhǎn)，讨论下一步的方案。 “杜(dù)老师很少直接给我们答案，而是引导我们自己思考。”在博士生杨子灏看来，导师注重了解(liǎojiě)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，直到大家找到问题的症结所在(zhēngjiésuǒzài)。” 在学生们眼中，杜灵杰(língjié)是一个对科研有巨大热情的人，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(tā)叹气(tànqì)。 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第一次独立搭建光路开展实验的经历，那段时间她因无法测出(cèchū)信号而感到绝望，甚至产生了放弃的念头。杜(dù)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(xìtǒng)中的问题，最终发现是样品(yàngpǐn)摆放不当。按照杜灵杰的思路(sīlù)改进后，王一帆成功测出了信号。 “我们实验室的(de)产出速度并不是(búshì)很快(hěnkuài)，但比起摘‘低处的桃子’，杜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(wèile)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”的杜(dù)灵杰(língjié)认为自己与学生年龄差距(chājù)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。”这是杜灵杰常挂在嘴边的话。 今天的(de)“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(zhīguāng)的道路上，他们无所畏惧，一往无前。（本报记者 焦以璇 通讯员 于玥晗 颜修齐）