沉醉(zui)正在量子世界中探秘，这名38岁的教授为甚么“火”了？,实验(yan),引力(li),分数

兴味引领，向科研前沿发(fa)起挑战

杜(du)灵杰出(chu)生正在江苏镇江，从小就喜(xi)欢对自然景象刨根问底，上了高中，他发(fa)现自己好(hao)奇(qi)的问题都属于物理学(xue)范畴，便(bian)选择了理科，本科时进入南京大学(xue)理科强化部就读。

读研时，杜(du)灵杰选择了量子物理方向。这一(yi)选择正在其时看来有(you)些出(chu)人意料，因(yin)为那时的量子物理还是一(yi)个“有(you)点看似(si)没有(you)着边际”的范畴——学(xue)习它会有(you)甚么“用处”，还没有(you)明确。而杜(du)灵杰恰(qia)是看中了它的“有(you)趣而纯粹”。

硕士(shi)研究(jiu)生毕业后，杜(du)灵杰正在博士(shi)研究(jiu)生阶段(duan)选择了半导体作为进一(yi)步(bu)研究(jiu)量子物理的载体。为了拓(tuo)展(zhan)研究(jiu)视野，到了博士(shi)后阶段(duan)，他开始(shi)尝试全新的光(guang)学(xue)实验(yan)研究(jiu)，开始(shi)打(da)仗分数量子霍尔效应。

分数量子霍尔效应中存正在着微观(guan)世界里一(yi)种从来没被(bei)发(fa)现过的全新物态，只有(you)正在极端条件下才会被(bei)观(guan)测到。它的出(chu)现翻开了人类认识(shi)世界的一(yi)扇窗口，但也因(yin)为观(guan)测条件的严苛，研究(jiu)难度极高，研究(jiu)者(zhe)相对较少。

2019年，杜(du)灵杰与合作者(zhe)首次正在光(guang)学(xue)观(guan)测中，发(fa)现分数量子霍尔效应中出(chu)现团体激发(fa)，即大量电子团体性的能量跃迁——就像(xiang)清静的湖面上倏忽激起数没有(you)清的、没有(you)同形状(zhuang)的涟漪。论文发(fa)出(chu)后，被(bei)理论物理学(xue)家以为可能是分数量子霍尔效应引力(li)子存正在的证据。

其实，多年前就有(you)理论预言，凝聚态物资中可能存正在一(yi)种分数量子霍尔效应引力(li)子。因(yin)为它的举动规律(lu)与引力(li)子类似(si)，被(bei)形象地称(cheng)为引力(li)子正在凝聚态物资中的“投影(ying)”。但寻找(zhao)这一(yi)“投影(ying)”、弄(nong)清背(bei)后机制(zhi)的实验(yan)非常艰难。

2019年，杜(du)灵杰结束博士(shi)后工作，回到南京大学(xue)物理学(xue)院处置科研工作。他决定，要向这一(yi)科研前沿发(fa)起挑战。

历时3年，从无到有(you)搭建观(guan)测“千里镜”

实验(yan)的前提是要有(you)合适的仪器设备。但是其时，正在全世界范围内也没有(you)符合要求的实验(yan)设备。因(yin)为实验(yan)的条件极其苛刻，而且还看似(si)自相矛盾。实验(yan)的需要条件，一(yi)个是强磁场，比地球常规磁场强度高出(chu)10万倍；另(ling)一(yi)个是极高温，比物理学(xue)意义上绝对零度（零下273.15摄氏度）高出(chu)0.05摄氏度。

虽然强磁场和极高温情况能够通过设备来实现，但实验(yan)过程当中需要进行光(guang)学(xue)测量，设备上就要装置“窗户”。有(you)了光(guang)，样品的温度就会升高，从而破坏敏感的分数量子霍尔效应，造成观(guan)测失败(bai)。

“国外团队采用湿式稀释制(zhi)冷，每天往实验(yan)装置中灌入液氦来实现降温。但我们采用的是干式稀释制(zhi)冷，即用压缩机制(zhi)冷。”杜(du)灵杰解释，压缩气体的过程当中会造成振动，让实验(yan)难上加(jia)难。此外，南方潮湿的情况对光(guang)学(xue)实验(yan)也是一(yi)大挑战。

如何(he)消除升温、振动、湿度变更(geng)等带来的影(ying)响？经过一(yi)次次尝试，杜(du)灵杰发(fa)现，“做减法”这条路走没有(you)通，那就只能“做加(jia)法”：他和学(xue)生们从头开始(shi)设计，使(shi)用新的特殊(shu)质料减震，通过光(guang)学(xue)干预干与来降低热辐射(she)，一(yi)点点攻克(ke)难题。

为了让各项指标符合实验(yan)要求，从2019年8月(yue)到2022年8月(yue)，历时整整3年，杜(du)灵杰终(zhong)于带领团队从无到有(you)设计组(zu)装出(chu)实验(yan)装置，放置正在一(yi)间“攒出(chu)”的恒温恒湿“超净间”中。这个大型(xing)装置长约8米、宽约5米、高约9米，具有(you)光(guang)源和探测器，如同超大号“显微镜”，又像(xiang)是超等“千里镜”。

2022年下半年，这台“千里镜”开始(shi)投入运行。正在之后的4个月(yue)中，杜(du)灵杰团队夜以继日正在量子阱中寻找(zhao)着引力(li)子激发(fa)存正在的证据，却始(shi)终(zhong)一(yi)无所(suo)获。

杜(du)灵杰并没有(you)灰心。他将自己关(guan)正在房间里，反复比拟大量数据，终(zhong)于从海(hai)量数据里发(fa)现了引力(li)子激发(fa)的微弱信号。之后他们正在分数量子霍尔效应中测量出(chu)这一(yi)信号具有(you)自旋为2的特性，进一(yi)步(bu)确认了其是引力(li)子激发(fa)。

杜(du)灵杰开心极了，他以为经太(tai)远程跋涉(she)，终(zhong)于迎来成功。但是现实却给了他当头一(yi)棒。凝聚多年心血(xue)撰写(xie)的论文被(bei)《自然》杂志退回了，理由是“证据没有(you)足”。

前路又迷(mi)茫起来。

打(da)破思维定势，迎来科研冲(chong)破

还没有(you)从投稿被(bei)拒的暗影(ying)中走出(chu)来，杜(du)灵杰又遭到了一(yi)次打(da)击。

去年7月(yue)召开的一(yi)次国际集会上，一(yi)名专(zhuan)家向杜(du)灵杰提出(chu)问题：“引力(li)子激发(fa)自旋为2，但自旋为2的一(yi)定是引力(li)子激发(fa)吗？”

这一(yi)下把杜(du)灵杰问住了。“此前，我一(yi)直陷正在思维定势里，和同行们一(yi)样，对范畴中的‘硬骨(gu)头’采取回避态度。现正在必需正面攻克(ke)，我意识(shi)到，探索的道(dao)路还非常漫长。”杜(du)灵杰说。

回到实验(yan)室，他从新振作起来。“文章发(fa)表虽然重要，但是对科学(xue)工作者(zhe)来说，更(geng)重要的是把科学(xue)问题搞(gao)清楚(chu)。我们向科研前沿发(fa)起挑战，即使(shi)失败(bai)了，至少能排除一(yi)种计划，也算是一(yi)个成功。”他这样鼓励自己。

这回，杜(du)灵杰存眷到了此前没有(you)曾存眷的数据，意识(shi)到极小动量的激发(fa)测量是解决问题的关(guan)键，从而设计了新的实验(yan)，“经过半年的测量，我们发(fa)现，激发(fa)信号除自旋为2这个最明显特性以外，另(ling)有(you)一(yi)项关(guan)键特性——具有(you)特征能量。”

今年1月(yue)，杜(du)灵杰受邀参加(jia)了一(yi)场分数量子霍尔效应范畴的国际集会。这次，他拿出(chu)有(you)力(li)的实验(yan)证据，解答了去年被(bei)质疑的问题。包含之前那名专(zhuan)家正在内的与会学(xue)者(zhe)向这名青年科学(xue)家报以掌(zhang)声。分数量子霍尔效应引力(li)子的实验(yan)发(fa)现得到了国际学(xue)界的认可。3月(yue)，杜(du)灵杰团队的论文正在《自然》杂志发(fa)表，这也是世界上首次窥察到引力(li)子正在凝聚态物资中的新奇(qi)准粒子。

“人生没有(you)尺度谜底，做科研是没有(you)断(duan)打(da)破思维定势的过程。”这是杜(du)灵杰的亲身(shen)感受，也是他的人生态度。对于未来的研究(jiu)方向，他同样没有(you)设限，“对纯粹的物理世界的兴味，引领着我没有(you)断(duan)去拓(tuo)展(zhan)新的范畴，研究(jiu)新的课题，探索自然科学(xue)的奥秘。”

作者(zhe)：姚雪青

来源：人民(min)日报一(yi)撇一(yi)捺微信公号