在南京大学物理学院教授杜凌杰看来，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，杜凌杰团队的一项最新研究成果发表在《自然》杂志上，引发关注。探索科研前沿，从零开始搭建实验设备，在研究中不断突破思维定势，杜凌杰说，是浓厚的兴趣让他坚持不懈、不断前行。
图为杜凌杰（中）与学生讨论。李佳璇摄最近，1986年出生的南京大学物理学院教授杜凌杰“火”了。
3月28日，《自然》杂志发表了杜凌杰团队的一项新研究成果。他们在极端条件下使用偏振光散射技术测量了GaAs量子阱中分数量子霍尔效应的集体激发。这是自引力子概念提出以来，首次在世界各地的真实系统中发现具有引力子特征的准粒子，它们被该领域的理论家称为分数量子霍尔效应引力子。
这一成果引起了学术界和媒体的高度关注。杜凌杰说，是兴趣引领他前进，沉浸在纯量子物理的世界里自由探索，想观察它会给世界带来什么变化。
兴趣引领并挑战科学研究的前沿。
杜凌杰出生于江苏镇江。他从小就喜欢探究自然现象。当他上高中时，他发现他好奇的所有问题都属于物理，于是他选择了科学，并进入南京大学科学密集系读本科。读研时，杜凌杰选择了量子物理方向。这个选择在当时看来是出乎意料的，因为当时的量子物理仍然是一个“有些似乎无关紧要”的领域——不清楚学习它会有什么“用处”。而杜玲杰恰恰看中了它的“有趣和纯粹”。
硕士毕业后，杜凌杰在博士阶段选择了半导体作为量子物理深造的载体。为了拓宽自己的研究视野，他开始尝试新的光学实验研究，并在博士后阶段开始接触分数量子霍尔效应。
分数量子霍尔效应中存在一种微观世界中全新的物质状态，只有在极端条件下才能观察到。它的出现为人类认识世界打开了一扇窗，但由于观测条件恶劣，研究难度极大，研究人员相对较少。
2019年，杜凌杰及其合作者在光学观测中首次发现了分数量子霍尔效应中的集体激发，即大量电子的集体能量跃迁——就像平静的湖面上突然搅动起无数个不同形状的物体一样。论文发表后，被理论物理学家认为是分数量子霍尔效应引力子存在的证据。
事实上，很多年前就有人预言凝聚态物质中可能存在分数量子霍尔效应引力子。由于其行为规律与引力子相似，因此被形象地称为引力子在凝聚态物质中的“投影”。但是要找到这个“投影”并理解它背后的实验是非常困难的。
2019年，杜凌杰完成博士后工作，回到南京大学物理学院从事科研工作。他决定挑战这一科学研究的前沿。
从零开始建造一架观测望远镜花了三年时间。
实验的前提是要有合适的仪器设备。但是，当时全世界都没有符合要求的实验设备。因为实验的条件极其苛刻，看似矛盾。实验的必要条件之一是强磁场，比地球常规磁场高10万倍；另一种是极低温，比物理意义上的绝对零度（-273.15摄氏度）高0.05摄氏度。虽然设备可以实现强磁场和极低温环境，但实验过程中需要光学测量，设备上要安装“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，导致观测失败。
“国外团队采用湿式稀释制冷，每天向实验装置注入液氦降温。但我们采用的是干稀释制冷，也就是压缩机制冷。”杜凌杰解释说，压缩气体的过程会引起振动，这增加了实验的难度。此外，南方潮湿的环境也是光学实验的一大挑战。
如何消除温升、振动和湿度变化的影响？经过反复尝试，杜凌杰发现“减法”这条路走不通，只好“加法”:他和学生们从头开始设计，使用新型特殊材料减少振动，通过光学干涉减少热辐射，一点点解决问题。
为了满足实验要求，从2019年8月到2022年8月，杜凌杰终于带领团队从零开始设计和组装实验装置，并将其放在恒温恒湿的“洁净室”中。这个大型装置长约8米、宽约5米、高约9米。它配备了一个光源和一个探测器，就像一个超大的“显微镜”和一个超级“望远镜”。
2022年下半年，这台“望远镜”投入运行。在接下来的四个月里，杜凌杰团队夜以继日地寻找量子阱中存在引力子激发的证据，但一无所获。
杜凌杰并不气馁。他把自己关在房间里，反复比对大量数据，终于从海量数据中找到了引力子激发的微弱信号。后来，在分数量子霍尔效应中，他们测量到这种信号具有自旋2的特征，这进一步证实了它是引力子激发。
杜灵杰高兴极了，他以为经过长途跋涉，他终于成功了。然而，现实给了他当头一棒。这篇用多年心血写成的论文被《自然》杂志以“证据不足”为由退回。
前路又迷茫了。
打破思维定势，迎来科研突破
还没从被拒绝的阴影中走出来，杜玲杰又遭受了一次打击。在去年7月举行的一次国际会议上，一位专家向杜凌杰提出了一个问题:“引力激发自旋是2，但2的自旋一定是引力激发吗？”
这让杜凌杰感到困惑。“以前，我被固定的思维模式所束缚，和我的同龄人一样，我避开了这个领域的‘硬骨头’。现在我们必须迎头克服它，我意识到探索之路还很漫长。”杜凌杰说。
回到实验室后，他再次振作起来。“发表文章很重要，但对科学家来说，更重要的是阐明科学问题。我们挑战科学研究的前沿，即使我们失败了，至少可以排除一种方案，这被认为是成功的。”他这样鼓励自己。
这一次，杜凌杰关注到了以前没有关注到的数据，意识到极小动量的激发测量是解决问题的关键，于是他设计了一个新的实验。“经过半年的测量，我们发现激发信号除了自旋2最显著的特征——具有特征能量外，还有一个关键特征。”
今年1月，杜凌杰受邀参加分数量子霍尔效应领域的国际会议。这一次，他拿出了强有力的实验证据，回答了去年被质疑的问题。包括前一位专家在内的与会学者为这位年轻的科学家鼓掌。分数量子霍尔效应引力子的实验发现得到了国际学术界的认可。今年3月，杜凌杰团队的论文发表在《自然》杂志上，这是国际上首次观测到凝聚态物质中引力子的新颖准粒子。
“人生没有标准答案，做科研就是一个不断打破思维定势的过程。”这是杜凌杰的亲身经历，也是他的人生态度。他对未来的研究方向也没有限制。“我对纯物理世界的兴趣使我不断拓展新领域、研究新课题、探索自然科学的奥秘。”
作者:姚青雪
来源:人民日报、一瞥微信公众号
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