在量子天(tian)下中探索奥秘（科技自立自强·青年(nian)科学家）,实(shi)验,引力,分数(shu)

读研(yan)时，杜(du)灵杰(jie)选择了量子物理方(fang)向。这一选择在当时看来有些出人料想(xiang)，因(yin)为那时的量子物理还是(shi)一个“有点看似没有着边际”的范畴——进修它(ta)会(hui)有什(shi)么“用途”，还没有明白。而杜(du)灵杰(jie)正(zheng)是(shi)看中了它(ta)的“风趣而纯粹(cui)”。

硕(shuo)士研(yan)讨生毕业后，杜(du)灵杰(jie)在博士研(yan)讨生阶段选择了半导(dao)体作为进一步研(yan)讨量子物理的载体。为了拓展研(yan)讨视野，到(dao)了博士后阶段，他开始尝试全新的光学实(shi)验研(yan)讨，开始打仗分数(shu)量子霍尔(er)效应。

分数(shu)量子霍尔(er)效应中存在着微观天(tian)下里(li)一种从来没被发现过(guo)的全新物态(tai)，只要在极(ji)度条件下才(cai)会(hui)被观测(ce)到(dao)。它(ta)的出现打开了人类认(ren)识天(tian)下的一扇窗口，但也因(yin)为观测(ce)条件的严苛，研(yan)讨难度极(ji)高，研(yan)讨者相对较(jiao)少。

2019年(nian)，杜(du)灵杰(jie)与(yu)合作者初次在光学观测(ce)中，发现分数(shu)量子霍尔(er)效应中出现集体激发，即大批(pi)电子集体性(xing)的能量跃(yue)迁——就像平静的湖面上(shang)突然激起(qi)数(shu)没有清的、没有同外形的涟漪。论文发出后，被理论物理学家以为多是(shi)分数(shu)量子霍尔(er)效应引力子存在的证据。

其实(shi)，多年(nian)前就有理论预(yu)言，凝聚态(tai)物资中可能存在一种分数(shu)量子霍尔(er)效应引力子。由于它(ta)的举动规律(lu)与(yu)引力子类似，被形象地称为引力子在凝聚态(tai)物资中的“投影”。但寻找这一“投影”、弄(nong)清背后机制的实(shi)验异常艰难。

2019年(nian)，杜(du)灵杰(jie)竣(jun)事博士后工作，回到(dao)南京大学物理学院从事科研(yan)工作。他决意，要向这一科研(yan)前沿(yan)发动挑战(zhan)。

历时3年(nian)，从无到(dao)有搭(da)建观测(ce)“千里(li)镜”

实(shi)验的前提(ti)是(shi)要有符合的仪器设备。然而当时，在全天(tian)下范围(wei)内也没有符合请求的实(shi)验设备。因(yin)为实(shi)验的条件极(ji)为苛刻，并且(qie)还看似言行一致。实(shi)验的必要条件，一个是(shi)强磁场，比地球(qiu)通例磁场强度高出10万倍；另(ling)一个是(shi)极(ji)高温，比物理学意义上(shang)绝对零度（零下273.15摄氏度）高出0.05摄氏度。

虽然强磁场和(he)极(ji)高温环境能够经过(guo)设备来实(shi)现，但实(shi)验过(guo)程(cheng)当中必要进行光学测(ce)量，设备上(shang)就要安装“窗户(hu)”。有了光，样品(pin)的温度就会(hui)升高，从而破损敏感的分数(shu)量子霍尔(er)效应，造成观测(ce)失败(bai)。

“国外团队采用湿式稀释制冷，每天(tian)往实(shi)验装置中灌入液氦来实(shi)现降温。但我们采用的是(shi)干式稀释制冷，即用压缩(suo)机制冷。”杜(du)灵杰(jie)解释，压缩(suo)气体的过(guo)程(cheng)当中会(hui)造成振动，让实(shi)验难上(shang)加难。别的，南方(fang)潮湿的环境对光学实(shi)验也是(shi)一大挑战(zhan)。

怎样消(xiao)除升温、振动、湿度变化等(deng)带来的影响？经过(guo)一次次尝试，杜(du)灵杰(jie)发现，“做(zuo)减法”这条路走欠亨，那就只能“做(zuo)加法”：他和(he)先(xian)生们从头开始设计，使用新的特(te)殊质料减震，经过(guo)光学干涉(she)来降低(di)热辐射，一点点攻克困难。

为了让各项(xiang)目标符合实(shi)验请求，从2019年(nian)8月到(dao)2022年(nian)8月，历时整整3年(nian)，杜(du)灵杰(jie)终于带领团队从无到(dao)有设计组(zu)装出实(shi)验装置，放置在一间(jian)“攒出”的恒温恒湿“超净间(jian)”中。这个大型装置长约8米、宽(kuan)约5米、高约9米，具有光源和(he)探测(ce)器，犹如超大号“显微镜”，又像是(shi)超等(deng)“千里(li)镜”。

2022年(nian)下半年(nian)，这台“千里(li)镜”开始投入运行。在之后的4个月中，杜(du)灵杰(jie)团队通宵达(da)旦在量子阱中寻找着引力子激发存在的证据，却始终一无所得。

杜(du)灵杰(jie)并没有泄气。他将本身关在房间(jian)里(li)，反复比拟大批(pi)数(shu)据，终于从海量数(shu)据里(li)发现了引力子激发的薄(bao)弱旌(jing)旗灯号。之后他们在分数(shu)量子霍尔(er)效应中测(ce)量出这一旌(jing)旗灯号具有自旋为2的特(te)性(xing)，进一步确认(ren)了其是(shi)引力子激发。

杜(du)灵杰(jie)开心极(ji)了，他以为经太(tai)长途跋涉(she)，终于迎来成功(gong)。然而实(shi)际却给了他当头一棒。凝聚多年(nian)血汗撰写的论文被《自然》杂志退回了，理由是(shi)“证据没有敷”。

前路又迷茫起(qi)来。

冲破思维定势，迎来科研(yan)冲破

还没有从投稿被拒的阴影中走出来，杜(du)灵杰(jie)又遭到(dao)了一次袭击。

去年(nian)7月召开的一次国际集会(hui)上(shang)，一名专(zhuan)家向杜(du)灵杰(jie)提(ti)出问(wen)题：“引力子激发自旋为2，但自旋为2的一定是(shi)引力子激发吗？”

这一下把杜(du)灵杰(jie)问(wen)住了。“此前，我没有停陷在思维定势里(li)，和(he)同行们一样，对范畴中的‘硬骨头’采取回避态(tai)度。现在必需正(zheng)面攻克，我意识到(dao)，探索的门路还异常漫长。”杜(du)灵杰(jie)说。

回到(dao)实(shi)验室，他重新振作起(qi)来。“文章发表固然重要，但是(shi)对科学工作者来说，更重要的是(shi)把科学问(wen)题搞清楚。我们向科研(yan)前沿(yan)发动挑战(zhan)，纵然失败(bai)了，至多能排除一种方(fang)案(an)，也算(suan)是(shi)一个成功(gong)。”他这样勉励本身。

这回，杜(du)灵杰(jie)存眷到(dao)了此前未曾存眷的数(shu)据，意识到(dao)极(ji)小动量的激发测(ce)量是(shi)办理问(wen)题的枢纽，从而设计了新的实(shi)验，“经过(guo)半年(nian)的测(ce)量，我们发现，激发旌(jing)旗灯号除了自旋为2这个最显著特(te)性(xing)以外，还有一项(xiang)枢纽特(te)性(xing)——具有特(te)征能量。”

本年(nian)1月，杜(du)灵杰(jie)受邀参加了一场分数(shu)量子霍尔(er)效应范畴的国际集会(hui)。这次，他拿出有力的实(shi)验证据，解答(da)了去年(nian)被质疑的问(wen)题。包含(han)之前那名专(zhuan)家在内的与(yu)会(hui)学者向这名青年(nian)科学家报以掌声。分数(shu)量子霍尔(er)效应引力子的实(shi)验发现获得了国际学界的认(ren)可。3月，杜(du)灵杰(jie)团队的论文在《自然》杂志发表，这也是(shi)天(tian)下上(shang)初次观察(cha)到(dao)引力子在凝聚态(tai)物资中的新奇准粒子。

“人生没有标准谜底，做(zuo)科研(yan)是(shi)赓续冲破思维定势的过(guo)程(cheng)。”这是(shi)杜(du)灵杰(jie)的亲自感觉，也是(shi)他的人生态(tai)度。对于未来的研(yan)讨方(fang)向，他同样没有设限，“对纯粹(cui)的物理天(tian)下的兴趣，引领着我赓续去拓展新的范畴，研(yan)讨新的课题，探索自然科学的奥秘。”