“年輕人要敢于走出‘舒適區’、挑戰‘無人區’，瞄準最前沿，闖出一條前人未曾走過的道路。方向找準了，就堅定地往前走。”

  盡管是白天，南京大學鼓樓校區的一間實驗室里仍“伸手不見五指”。

  這里門窗緊閉，沒有任何照明光源，設備發出的光亮在黑暗中若隱若現，耳邊不時傳來機器運轉的嗡鳴聲。南京大學物理學院教授杜靈杰站在觀測屏前，緊盯著閃爍的數據屏，不放過一絲“蛛絲馬跡”。

  就在這間黑屋子里，杜靈杰帶領團隊展開了一場追光之旅——在世界范圍內首次發現具有引力子特征的準粒子，這一從“0”到“1”的重大成果同時入選了2024年度“中國科學十大進展”和2024年度“中國十大科技進展新聞”。

  不久前，杜靈杰從北京捧回第29屆中國青年五四獎章。“獲獎對于我來說，既是一種激勵也是一種責任跟動力，是在激勵我要瞄準最前沿、引領新方向，用研究成果拓展認知邊界、推動學科突破。”杜靈杰說。

  推開量子世界的大門

  在物理學領域，存在著一個近乎傳說的粒子——引力子。自20世紀30年代提出以來，它一直存在于量子物理學家的假設中，尋找引力子關系到廣義相對論和量子力學的統一，被視為物理學的“終極難題”之一。

  “我們可以將時空想象為一張彈性布，把蘋果想象成一個質量巨大的物體，放在緊繃的布料上會產生凹陷，如果從布的一邊輕輕地推一個小球過去，它會朝著凹陷處滾動，這就是我們感知的引力，這種形變的波動類似時空的‘漣漪’，也就是引力波，這種波動對應的粒子就是引力子。”杜靈杰形象地解釋道。

  一切源于興趣使然。杜靈杰從小就喜歡對自然現象刨根問底，本科時，他就讀于南京大學理科強化部。進入研究生階段后，與周圍同學大多選擇實用性更強的方向不同的是，杜靈杰選擇了當時看似“超前”卻被貼上“沒什么用”標簽的量子物理。

  “我喜歡沉浸在純粹的量子物理世界中自在探索，想要觀察它將給這個世界帶來什么改變。”談及選擇量子物理的原因，杜靈杰坦言，物理學純粹而有趣，量子世界充滿了不確定性和可能性，這種“既存在又不存在”的量子態，令人著迷。

  興趣，引領著杜靈杰一路攀登科研高峰。碩士畢業后，杜靈杰選擇去美國攻讀物理學博士學位，此后又在哥倫比亞大學從事博士后研究。在博士后階段，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。

  其實，多年前就有科學家預言，凝聚態物質中可能存在一種分數量子霍爾引力子，表現為低能模式激發，也被稱為引力子模或引力子激發。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”。“就像在地球上觀察不到遙遠星球的細節，但可以通過其投下的影子了解它的特性。”杜靈杰說。

  2019年，不顧海外合作導師的極力挽留，33歲的杜靈杰毅然選擇回國，加入母校南京大學物理學院擔任教授和博士生導師，從零開始搭建實驗室，開展基礎研究工作。

  “我從來沒想過在國外待一輩子，從規劃出國的那天起，我就知道我是要回來的，出國學習就是為了有朝一日可以報效祖國。”杜靈杰說。

  一波三折的發現歷程

  杜靈杰回國后面臨的第一個挑戰，就是從零開始搭建實驗室。

  實驗需要同時滿足三個極限條件：接近絕對零度的超低溫、強于地球磁場數萬倍的強磁場，以及能捕捉到微弱信號的光學系統。這樣苛刻的實驗條件聽起來似乎是天方夜譚，而杜靈杰所研究的分數量子霍爾效應中的集體激發模式，需要在滿足上述所有極端條件的情況下才能觀測。當時，很多科學家向這個領域發起挑戰，但始終沒有突破。

  在沒有現成設備的情況下，杜靈杰硬是帶領學生們白手起家，自主設計并集成組裝了一套極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統。歷時3年，他們終于搭建出世界上第一臺能夠觀測“引力子激發”的實驗設備，足有兩層樓高，如同一臺超大號的“顯微鏡”。

  為了捕捉微弱的光信號，他們需要營造一個黑暗的環境，窗戶被厚重的窗簾嚴絲合縫地遮住，連門縫都用黑膠帶細心封住。久而久之，這里便有了一個親切的名字——“黑屋子”。

  設備建成后，真正的挑戰才剛剛開始，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍舊舉步維艱。“我們的研究工作必須在‘黑屋子’里展開，通常是從早上8點開始，直至次日凌晨一兩點。”杜靈杰坦言，在“黑屋子”里工作并不容易。研究人員需要在黑暗中摸索前行，通過微弱的儀表燈光辨認設備位置，調整實驗參數。有時，一個小小的調整可能需要反復嘗試數小時，而最終的數據可能只是一個微弱的峰值。

  在杜靈杰看來，尋找引力子就像在一場暴風雨中聽心跳，需要把噪聲降到宇宙背景輻射的十億分之一。深夜時分，當學生們陸續離開后，杜靈杰還會留下來再檢查一遍設備參數，確保萬無一失。“做實驗就像照顧一個孩子，需要細心、耐心和恒心。”他常對學生們說。

  歷經重重困難，杜靈杰終于在海量數據中發現了引力子激發的微弱信號。團隊十分興奮，迅速將觀測結果形成論文并向《自然》投稿，沒想到卻被回復“證據不足”。

  在隨后一次國際會議上，杜靈杰的發現再次被國外專家質疑，“你怎么知道自旋為2的激發就一定是引力子模呢？”這一問如同當頭一棒，讓杜靈杰意識到研究思路可能錯了。

  因為按照理論，分數量子霍爾效應中的引力子模最明顯的特征就是自旋為2，杜靈杰陷入了思維定式，前期實驗也循著這一思路展開，“事實上，引力子模的特征能量同樣重要”。

  接二連三的打擊讓團隊陷入低谷，杜靈杰內心煎熬著，但他仍鼓勵學生“耐心點兒，沉住氣”，自己依舊一整天“泡”在實驗室里分析實驗數據。

  功夫不負有心人。2024年，杜靈杰帶領團隊終于觀察到了引力子模的特征能量證據，研究成果發表在《自然》上，這也是世界上首次在分數量子霍爾效應中觀察到引力子激發。美國哥倫比亞大學量子研究院撰文稱贊：“能夠在實驗室研究類似引力子的粒子，有望彌合量子力學與愛因斯坦相對論之間的鴻溝。”

  “這只是一個起點。”杜靈杰說，未來新型電子器件和新型材料將得益于這種對物質微觀結構的深入理解，它將改變世界。

  “種樹者”的堅守與傳承

  “如果這次實驗最后沒有達到預期目標，多年來的努力是‘一場空’怎么辦？”面對質疑基礎研究“無用”的聲音，杜靈杰常用“種樹”來比喻：“研究基礎物理就像種樹，要甘愿花時間施肥、精心養護，耐心等待它長成參天大樹的一天。”

  在杜靈杰看來，育人亦是如此。在“黑屋子”實驗室的角落里，有一張簡易的長桌，那是團隊平時討論問題的地方。杜靈杰經常會和學生們圍坐在這里，共同回顧實驗進展，討論下一步的方案。

  “杜老師很少直接給我們答案，而是引導我們自己思考。”在博士生楊子灝看來，導師注重了解每名學生的特點，因材施教，充分激發大家的潛力，“有時候討論會一開就是三四個小時，每個人暢所欲言，直到大家找到問題的癥結所在。”

  在學生們眼中，杜靈杰是一個對科研有巨大熱情的人，對最新研究方向把控很精準，一旦確認目標就會迅速著手推進，即使遇到再大困難也從未見過他嘆氣。

  言傳身教中，學生們學會了面對困難不退縮。博士生王一帆還記得第一次獨立搭建光路開展實驗的經歷，那段時間她因無法測出信號而感到絕望，甚至產生了放棄的念頭。杜靈杰鼓勵她不要輕言放棄，并建議她從頭到尾排除整個系統中的問題，最終發現是樣品擺放不當。按照杜靈杰的思路改進后，王一帆成功測出了信號。

  “我們實驗室的產出速度并不是很快，但比起摘‘低處的桃子’，杜老師更愿意讓我們靜下心來，真正攻克一些處于科學技術前沿的問題，不僅是為了滿足最原始的好奇心，也是為了用科研為國家發展作出貢獻。”王一帆說。

  身為“85后”的杜靈杰認為自己與學生年齡差距并不大，有許多共同語言。“大家都是年輕人，要敢于走出‘舒適區’、挑戰‘無人區’，瞄準最前沿，闖出一條前人未曾走過的道路。方向找準了，就堅定地往前走。”這是杜靈杰常掛在嘴邊的話。

  今天的“黑屋子”依然24小時運轉。黑暗中，這群年輕人正在耐心捕捉一種新的量子物態。在探尋科學之光的道路上，他們無所畏懼，一往無前。（本報記者 焦以璇 通訊員 于玥晗 顏修齊）

來源：中國教育報