在南京大學(xué)物理學(xué)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(xué)的奧秘。今年3月，杜靈杰團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究成果發(fā)表在《自然》雜志，引發(fā)關(guān)注。勇探科研前沿、從無到有搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備、在研究中不斷突破思維定勢(shì)，杜靈杰說，是濃厚的興趣引領(lǐng)他堅(jiān)持不懈，步履不停。

最近，1986年出生的南京大學(xué)物理學(xué)院教授杜靈杰“火”了。

3月28日，《自然》雜志發(fā)表了杜靈杰團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究成果。他們利用極端條件下的偏振光散射技術(shù)，在砷化鎵量子阱中對(duì)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的集體激發(fā)進(jìn)行了測(cè)量。這是引力子這一概念被提出以來，世界范圍內(nèi)首次在真實(shí)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，被領(lǐng)域內(nèi)的理論學(xué)家們稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。

這一成果引起了學(xué)界和媒體的高度關(guān)注。杜靈杰說，是興趣引領(lǐng)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(gè)世界帶來什么改變。

興趣引領(lǐng)，向科研前沿發(fā)起挑戰(zhàn)

杜靈杰出生在江蘇鎮(zhèn)江，從小就喜歡對(duì)自然現(xiàn)象刨根問底，上了高中，他發(fā)現(xiàn)自己好奇的問題都屬于物理學(xué)范疇，便選擇了理科，本科時(shí)進(jìn)入南京大學(xué)理科強(qiáng)化部就讀。

讀研時(shí)，杜靈杰選擇了量子物理方向。這一選擇在當(dāng)時(shí)看來有些出人意料，因?yàn)槟菚r(shí)的量子物理還是一個(gè)“有點(diǎn)看似不著邊際”的領(lǐng)域——學(xué)習(xí)它會(huì)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(yè)后，杜靈杰在博士研究生階段選擇了半導(dǎo)體作為進(jìn)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(xué)實(shí)驗(yàn)研究，開始接觸分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。

分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中存在著微觀世界里一種從來沒被發(fā)現(xiàn)過的全新物態(tài)，只有在極端條件下才會(huì)被觀測(cè)到。它的出現(xiàn)打開了人類認(rèn)識(shí)世界的一扇窗口，但也因?yàn)橛^測(cè)條件的嚴(yán)苛，研究難度極高，研究者相對(duì)較少。

2019年，杜靈杰與合作者首次在光學(xué)觀測(cè)中，發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中出現(xiàn)集體激發(fā)，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(shù)不清的、不同形狀的漣漪。論文發(fā)出后，被理論物理學(xué)家認(rèn)為可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子存在的證據(jù)。

其實(shí)，多年前就有理論預(yù)言，凝聚態(tài)物質(zhì)中可能存在一種分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子。由于它的行為規(guī)律與引力子類似，被形象地稱為引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的“投影”。但尋找這一“投影”、弄清背后機(jī)制的實(shí)驗(yàn)非常艱難。

2019年，杜靈杰結(jié)束博士后工作，回到南京大學(xué)物理學(xué)院從事科研工作。他決定，要向這一科研前沿發(fā)起挑戰(zhàn)。

歷時(shí)3年，從無到有搭建觀測(cè)“望遠(yuǎn)鏡”

實(shí)驗(yàn)的前提是要有合適的儀器設(shè)備。然而當(dāng)時(shí)，在全世界范圍內(nèi)也沒有符合要求的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的條件極其苛刻，而且還看似自相矛盾。實(shí)驗(yàn)的必要條件，一個(gè)是強(qiáng)磁場(chǎng)，比地球常規(guī)磁場(chǎng)強(qiáng)度高出10萬倍；另一個(gè)是極低溫，比物理學(xué)意義上絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）高出0.05攝氏度。

雖然強(qiáng)磁場(chǎng)和極低溫環(huán)境可以通過設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)過程中需要進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，設(shè)備上就要安裝“窗戶”。有了光，樣品的溫度就會(huì)升高，從而破壞敏感的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，造成觀測(cè)失敗。

“國(guó)外團(tuán)隊(duì)采用濕式稀釋制冷，每天往實(shí)驗(yàn)裝置中灌入液氦來實(shí)現(xiàn)降溫。但我們采用的是干式稀釋制冷，即用壓縮機(jī)制冷。”杜靈杰解釋，壓縮氣體的過程中會(huì)造成振動(dòng)，讓實(shí)驗(yàn)難上加難。此外，南方潮濕的環(huán)境對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)也是一大挑戰(zhàn)。

怎樣消除升溫、振動(dòng)、濕度變化等帶來的影響？經(jīng)過一次次嘗試，杜靈杰發(fā)現(xiàn)，“做減法”這條路走不通，那就只能“做加法”：他和學(xué)生們從頭開始設(shè)計(jì)，使用新的特殊材料減震，通過光學(xué)干涉來降低熱輻射，一點(diǎn)點(diǎn)攻克難題。

為了讓各項(xiàng)指標(biāo)符合實(shí)驗(yàn)要求，從2019年8月到2022年8月，歷時(shí)整整3年，杜靈杰終于帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從無到有設(shè)計(jì)組裝出實(shí)驗(yàn)裝置，放置在一間“攢出”的恒溫恒濕“超凈間”中。這個(gè)大型裝置長(zhǎng)約8米、寬約5米、高約9米，具備光源和探測(cè)器，如同超大號(hào)“顯微鏡”，又像是超級(jí)“望遠(yuǎn)鏡”。

2022年下半年，這臺(tái)“望遠(yuǎn)鏡”開始投入運(yùn)行。在之后的4個(gè)月中，杜靈杰團(tuán)隊(duì)夜以繼日在量子阱中尋找著引力子激發(fā)存在的證據(jù)，卻始終一無所獲。

杜靈杰并不灰心。他將自己關(guān)在房間里，反復(fù)對(duì)比大量數(shù)據(jù)，終于從海量數(shù)據(jù)里發(fā)現(xiàn)了引力子激發(fā)的微弱信號(hào)。之后他們?cè)诜謹(jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中測(cè)量出這一信號(hào)具有自旋為2的特性，進(jìn)一步確認(rèn)了其是引力子激發(fā)。

杜靈杰開心極了，他以為經(jīng)過長(zhǎng)途跋涉，終于迎來成功。然而現(xiàn)實(shí)卻給了他當(dāng)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(jù)不足”。

前路又迷茫起來。

打破思維定勢(shì)，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(guó)際會(huì)議上，一名專家向杜靈杰提出問題：“引力子激發(fā)自旋為2，但自旋為2的一定是引力子激發(fā)嗎？”

這一下把杜靈杰問住了。“此前，我一直陷在思維定勢(shì)里，和同行們一樣，對(duì)領(lǐng)域中的‘硬骨頭’采取回避態(tài)度。現(xiàn)在必須正面攻克，我意識(shí)到，探索的道路還非常漫長(zhǎng)。”杜靈杰說。

回到實(shí)驗(yàn)室，他重新振作起來。“文章發(fā)表固然重要，但是對(duì)科學(xué)工作者來說，更重要的是把科學(xué)問題搞清楚。我們向科研前沿發(fā)起挑戰(zhàn)，即使失敗了，至少能排除一種方案，也算是一個(gè)成功。”他這樣鼓勵(lì)自己。

這回，杜靈杰關(guān)注到了此前不曾關(guān)注的數(shù)據(jù)，意識(shí)到極小動(dòng)量的激發(fā)測(cè)量是解決問題的關(guān)鍵，從而設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)，“經(jīng)過半年的測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)，激發(fā)信號(hào)除了自旋為2這個(gè)最顯著特性之外，還有一項(xiàng)關(guān)鍵特性——具有特征能量。”

今年1月，杜靈杰受邀參加了一場(chǎng)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議。這次，他拿出有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，解答了去年被質(zhì)疑的問題。包括之前那名專家在內(nèi)的與會(huì)學(xué)者向這名青年科學(xué)家報(bào)以掌聲。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)引力子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)得到了國(guó)際學(xué)界的認(rèn)可。3月，杜靈杰團(tuán)隊(duì)的論文在《自然》雜志發(fā)表，這也是世界上首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇準(zhǔn)粒子。

“人生沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，做科研是不斷打破思維定勢(shì)的過程。”這是杜靈杰的親身感受，也是他的人生態(tài)度。對(duì)于未來的研究方向，他同樣不設(shè)限，“對(duì)純粹的物理世界的興趣，引領(lǐng)著我不斷去拓展新的領(lǐng)域，研究新的課題，探索自然科學(xué)的奧秘。”