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南京大学物理学院教授杜灵杰:在量子世界中探索奥秘

时间:2024-04-22来源:人民日报

在南京大学物理学院教授杜灵杰看来,量子物理研究有趣而纯粹,他投身其中,不断探索科学的奥秘。今年3月,杜灵杰团队的一项最新研究成果发表在《自然》杂志,引发关注。勇探科研前沿、从无到有搭建实验设备、在研究中不断突破思维定势,杜灵杰说,是浓厚的兴趣引领他坚持不懈,步履不停。

最近,1986年出生的南京大学物理学院教授杜灵杰“火”了。

3月28日,《自然》杂志发表了杜灵杰团队的一项最新研究成果。他们利用极端条件下的偏振光散射技术,在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量。这是引力子这一概念被提出以来,世界范围内首次在真实系统中发现具有引力子特征的准粒子,被领域内的理论学家们称为分数量子霍尔效应引力子。

这一成果引起了学界和媒体的高度关注。杜灵杰说,是兴趣引领着自己前行,沉浸在纯粹的量子物理的世界中自在探索,想要观察它将给这个世界带来什么改变。

兴趣引领,向科研前沿发起挑战

杜灵杰出生在江苏镇江,从小就喜欢对自然现象刨根问底,上了高中,他发现自己好奇的问题都属于物理学范畴,便选择了理科,本科时进入南京大学理科强化部就读。

读研时,杜灵杰选择了量子物理方向。这一选择在当时看来有些出人意料,因为那时的量子物理还是一个“有点看似不着边际”的领域——学习它会有什么“用处”,还不明确。而杜灵杰正是看中了它的“有趣而纯粹”。

硕士研究生毕业后,杜灵杰在博士研究生阶段选择了半导体作为进一步研究量子物理的载体。为了拓展研究视野,到了博士后阶段,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。

分数量子霍尔效应中存在着微观世界里一种从来没被发现过的全新物态,只有在极端条件下才会被观测到。它的出现打开了人类认识世界的一扇窗口,但也因为观测条件的严苛,研究难度极高,研究者相对较少。

2019年,杜灵杰与合作者首次在光学观测中,发现分数量子霍尔效应中出现集体激发,即大量电子集体性的能量跃迁——就像平静的湖面上突然激起数不清的、不同形状的涟漪。论文发出后,被理论物理学家认为可能是分数量子霍尔效应引力子存在的证据。

其实,多年前就有理论预言,凝聚态物质中可能存在一种分数量子霍尔效应引力子。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”。但寻找这一“投影”、弄清背后机制的实验非常艰难。

2019年,杜灵杰结束博士后工作,回到南京大学物理学院从事科研工作。他决定,要向这一科研前沿发起挑战。

历时3年,从无到有搭建观测“望远镜”

实验的前提是要有合适的仪器设备。然而当时,在全世界范围内也没有符合要求的实验设备。因为实验的条件极其苛刻,而且还看似自相矛盾。实验的必要条件,一个是强磁场,比地球常规磁场强度高出10万倍;另一个是极低温,比物理学意义上绝对零度(零下273.15摄氏度)高出0.05摄氏度。

虽然强磁场和极低温环境可以通过设备来实现,但实验过程中需要进行光学测量,设备上就要安装“窗户”。有了光,样品的温度就会升高,从而破坏敏感的分数量子霍尔效应,造成观测失败。

“国外团队采用湿式稀释制冷,每天往实验装置中灌入液氦来实现降温。但我们采用的是干式稀释制冷,即用压缩机制冷。”杜灵杰解释,压缩气体的过程中会造成振动,让实验难上加难。此外,南方潮湿的环境对光学实验也是一大挑战。

怎样消除升温、振动、湿度变化等带来的影响?经过一次次尝试,杜灵杰发现,“做减法”这条路走不通,那就只能“做加法”:他和学生们从头开始设计,使用新的特殊材料减震,通过光学干涉来降低热辐射,一点点攻克难题。

为了让各项指标符合实验要求,从2019年8月到2022年8月,历时整整3年,杜灵杰终于带领团队从无到有设计组装出实验装置,放置在一间“攒出”的恒温恒湿“超净间”中。这个大型装置长约8米、宽约5米、高约9米,具备光源和探测器,如同超大号“显微镜”,又像是超级“望远镜”。

2022年下半年,这台“望远镜”开始投入运行。在之后的4个月中,杜灵杰团队夜以继日在量子阱中寻找着引力子激发存在的证据,却始终一无所获。

杜灵杰并不灰心。他将自己关在房间里,反复对比大量数据,终于从海量数据里发现了引力子激发的微弱信号。之后他们在分数量子霍尔效应中测量出这一信号具有自旋为2的特性,进一步确认了其是引力子激发。

杜灵杰开心极了,他以为经过长途跋涉,终于迎来成功。然而现实却给了他当头一棒。凝聚多年心血撰写的论文被《自然》杂志退回了,理由是“证据不足”。

前路又迷茫起来。

打破思维定势,迎来科研突破

还没有从投稿被拒的阴影中走出来,杜灵杰又遭到了一次打击。

去年7月召开的一次国际会议上,一名专家向杜灵杰提出问题:“引力子激发自旋为2,但自旋为2的一定是引力子激发吗?”

这一下把杜灵杰问住了。“此前,我一直陷在思维定势里,和同行们一样,对领域中的‘硬骨头’采取回避态度。现在必须正面攻克,我意识到,探索的道路还非常漫长。”杜灵杰说。

回到实验室,他重新振作起来。“文章发表固然重要,但是对科学工作者来说,更重要的是把科学问题搞清楚。我们向科研前沿发起挑战,即使失败了,至少能排除一种方案,也算是一个成功。”他这样鼓励自己。

这回,杜灵杰关注到了此前不曾关注的数据,意识到极小动量的激发测量是解决问题的关键,从而设计了新的实验,“经过半年的测量,我们发现,激发信号除了自旋为2这个最显著特性之外,还有一项关键特性——具有特征能量。”

今年1月,杜灵杰受邀参加了一场分数量子霍尔效应领域的国际会议。这次,他拿出有力的实验证据,解答了去年被质疑的问题。包括之前那名专家在内的与会学者向这名青年科学家报以掌声。分数量子霍尔效应引力子的实验发现得到了国际学界的认可。3月,杜灵杰团队的论文在《自然》杂志发表,这也是世界上首次观察到引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子。

“人生没有标准答案,做科研是不断打破思维定势的过程。”这是杜灵杰的亲身感受,也是他的人生态度。对于未来的研究方向,他同样不设限,“对纯粹的物理世界的兴趣,引领着我不断去拓展新的领域,研究新的课题,探索自然科学的奥秘。”

 

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