近日，榮獲2025年度中國青年五四獎章的南京大學物理學院教授杜靈杰剛從北京回到南京，就一頭扎進他在南京大學鼓樓校區(qū)唐仲英樓的量子極端測量實驗室。去年3月，他和團隊在人類歷史上第一次為引力子“畫像”，那篇發(fā)表在國際權威學術期刊《自然》上的論文，就在這里誕生。
愛因斯坦曾基于廣義相對論提出，劇烈的天體活動會帶動周圍的時空產(chǎn)生波動，也就是引力波。近年來，隨著引力波被多座國際大科學裝置探測證實，這一概念已為大眾熟知。引力子源于廣義相對論與量子力學的交叉領域，不少理論物理學者認為，如果引力子確實存在，意味著廣義相對論和量子力學能夠被統(tǒng)一，人類文明將翻開新的一頁。
杜靈杰研究的，就是凝聚態(tài)系統(tǒng)中的“分數(shù)量子霍爾引力子”?！拔覀兩钪械墓腆w、液體，都屬于凝聚態(tài)。理論推測，‘分數(shù)量子霍爾液體’這種凝聚態(tài)物質(zhì)中，引力子可能以準粒子的形式涌現(xiàn)?！倍澎`杰說，“這種‘分數(shù)量子霍爾引力子’表現(xiàn)為集體模式激發(fā)，也稱為‘引力子模’或引力子激發(fā)，就像寧靜的湖面上突然激起不可勝數(shù)的漣漪。”
引力波探測器動輒數(shù)公里長，研究的是黑洞合并等宏觀事件。相比之下，杜靈杰用來尋找“分數(shù)量子霍爾引力子”的實驗裝置只有兩層樓高，而且研究的是逼近絕對零度的微觀世界，正如古語所言，致廣大而盡精微。
在海外留學期間，杜靈杰意外觀察到一種全新的光學集體激發(fā)。理論物理學界認為，這可能就是他們一直在尋找的“分數(shù)量子霍爾引力子”。但測量方案要求，實驗溫度不能高于零下273.1℃。換言之，儀器設備與絕對零度的溫差，必須控制在0.05℃以內(nèi)。
彼時，杜靈杰已經(jīng)確定回母校南大任教， 他面對的是一張白紙，必須從零起步，自主搭建實驗設備。
獲取實驗必需的液氮殊為不易，杜靈杰被迫改變技術路線；南方潮濕的環(huán)境會折損激光效果，他和團隊只能反復調(diào)試……轉(zhuǎn)眼就是三年。
沖刺的時候到了。“2022年12月17日，我把自己關在房間里，回顧了所有實驗數(shù)據(jù)，當天下午，我找到了那個最有可能是引力子激發(fā)的微弱信號?！备鶕?jù)這個信號，杜靈杰和團隊最終如愿測量到自旋為2的引力子激發(fā)?！按蠹液芘d奮，很快把論文投給了《自然》?！?/p>
面對如此重大的科學發(fā)現(xiàn)，審稿專家謹慎地提出，需要更具決定性的實驗證據(jù)。杜靈杰回憶，2023年7月，在西班牙圣塞巴斯蒂安舉行的一場國際會議上，曾有權威物理學者問他：引力子激發(fā)的自旋為2，那是不是所有自旋為2的激發(fā)，都是這種引力子呢？
物理學界的謹慎有其原因，當時國外曝光了多起所謂“科學大發(fā)現(xiàn)”，均被迅速證偽。
杜靈杰閉關想了很久，“越是重大成果，越要無懈可擊，作為科研人員，我們必須正視問題，實事求是，小心求證?！?/p>
但要獲得決定性的證據(jù)，就得設計新實驗，以測得動量更小的激發(fā)。
正當杜靈杰為又要升級設備犯愁時，他忽然發(fā)現(xiàn)，與國外同仁的液氮路線相比，回國后自主搭建的設備，恰好規(guī)避了液氮的短板，稍加改進就能解決問題?！昂芏嗫此啤疅o心插柳’的突破，本質(zhì)上源于‘從0到1’的原始創(chuàng)新?！彼锌?。
2024年1月，杜靈杰再度受邀參加低溫物理國際會議。這次，他展示了在砷化鎵量子阱中觀察到的新證據(jù)，從自旋、動量、能量三個角度，充分回應了此前的質(zhì)疑。
聽到臺下的掌聲，杜靈杰明白，這幅為引力子所作的“畫像”，已得到與會專家的普遍認可。這一成果在《自然》發(fā)表后，還入選了2024年度“中國科學十大進展”和“兩院院士評選2024年中國十大科技進展新聞”。
目前，在量子極端測量實驗室，這支平均年齡只有25歲的青年師生團隊正向一種新的量子物態(tài)發(fā)起攻堅，如果成功，將為實現(xiàn)拓撲量子計算掃除關鍵障礙。
回顧自己的科研歷程，杜靈杰說：“當初選擇出國，就是為了有朝一日回國效力?，F(xiàn)在我們應當瞄準最前沿、引領新方向，努力拿出新成果，拓展認知邊界、推動學科突破?！?/p>
