南京大学杜灵杰教授：首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”
今年上半年，国际顶级学术期刊《自然》发表的一篇论文引发学术界轰动：南京大学杜灵杰教授领导的国际团队报告，首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”。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。
出国的意义在于“开阔眼界”
杜灵杰自小就是“别人家的孩子”，每次考试都名列前茅，更是自初中开始一路保送，顺利通过了南京大学提前招生，保送进入南京大学理科强化部。
2008年，杜灵杰进入研究生学习阶段，开始了量子物理的研究。在杜灵杰看来，物理学纯粹而有趣，基础且重要，是科技发展的基石。杜灵杰说，“一直以来是对物理的兴趣引领着自己前行，我喜欢沉浸在纯粹的量子物理世界中自在探索，想要观察它将给这个世界带来什么改变。”
2011年，杜灵杰拿到美国莱斯大学的全额奖学金，出国攻读物理学博士学位，之后在哥伦比亚大学从事博士后研究。在国外的几年里，杜灵杰取得了不菲的科研成绩，多次以第一作者、通讯作者身份在知名国际学术期刊上发表高水平论文，在拓扑激子绝缘态、半导体人工晶格等领域取得不俗突破。
“父亲经常对我说，学习可以更好地为祖国奉献，学有所成之后成为一名科学家，帮助祖国科技的发展。”杜灵杰回忆，“我心里明白，祖国需要我，我出国学习就是为了有朝一日可以报效祖国。”
从“黑屋子”出发，向“光”而行
“7:10，升磁场”“23:30开始低温电子研究”“2:49，降磁场……”在量子极端测量实验室里，红色激光一闪一闪不断改变能量，一束束打到制冷机中的半导体样品上。信号被捕获的瞬间，电脑屏幕上显示出一段段心电图状的激发峰，每个波峰，意味着一次电子和光子的碰撞。这是杜灵杰带领着团队开展科研工作的一个缩影。
2019年，杜灵杰与合作者在分数量子霍尔效应中观察到一种新的集体激发，理论物理学家认为这可能是分数量子霍尔引力子存在的证据，并提出了检测该引力子的关键自旋测量方案。这触发了杜灵杰率领实验团队在分数量子霍尔效应中去探寻这类神秘粒子的存在。由于分数量子霍尔引力子的行为规律与引力子类似，而分数量子霍尔效应是通过半导体量子阱这种凝聚态系统来实现，所以它被形象地称为引力子在凝聚态物质中的“投影”，但找到这一“投影”、弄清背后机制的实验非常艰难。该实验对设备要求极高而且看似矛盾，一直极富挑战性，一度被人认为是不可能完成的。
同年，杜灵杰回到南京大学后，第一时间建立了南京大学量子极端测量实验室，打造了一间可以将温度、磁场、震动等实验条件推向极致的“黑屋子”。他白手起家，历时3年，带领团队从无到有，自主设计、集成组装了一套极低温强磁场共振非弹性偏振光散射系统。依靠这一利器，团队夜以继日，坚持不懈，最终用完整的实验证据，向世界宣告首次在实验上发现具有引力子特征的准粒子。
“基础研究的东西都是面向未知的。国家、学校和学院给予我们很大的自由空间，可以花几年时间搭建仪器设备，可以沉下心来从事基础研究。这些年来，真的能感觉到我们国家对基础研究投入的重视。”谈到这漫漫四年的经历，杜灵杰如此感慨。
探索人类知识的边界，就像是在无人区摸索，但这也并非杜灵杰第一次勇闯科研无人区。面向极微观物理，杜灵杰与合作者在半导体系统中首次观察到激子的分数量子霍尔效应，为关联玻色子系统拓扑物态的研究打开新方向。其相关成果发表于国际顶级学术期刊《自然》，并获得2023年中国半导体十大研究进展提名奖。
科研做得好，学生也带得好。作为导师，杜灵杰坚持以学生为中心，认真了解、深入剖析学生的特点和优势，因材施教，深度激发学生的最大潜能，开辟学生的成长成才之路。他鼓励学生们尝试多个学科间融合，有效拓宽视野，也将自己的学习、研究经历作为经验分享给学生。归国五年，杜灵杰手把手带着学生由“黑屋子”出发，逐步走向明亮处。
挥洒智慧，深耕创新“试验田”
杜灵杰一直走在创新研究的路上。以往，量子物态的研究主要依托于天然材料，这些材料的晶格无法改变。杜灵杰发现半导体电子人工晶格可以提供实现量子物态的新思路，这种人工晶格可以按照需求在半导体中的两维电子上创造出自然界中存在或者不存在的晶格结构，从而调控能带并实现特定的电子性质。之后杜灵杰与合作者排除困难，实验上首次成功在砷化镓量子阱表面制备了蜂窝量子点人工晶格。后来他又研发了一套新的制造工艺，成功制备出具有当时最小晶格周期（30nm）的半导体人工晶格，以及场效应管调控的半导体人工晶格器件。这些工作奠定了在半导体人工晶格这个新的平台上实现不同拓扑结构和新型量子态的基础。
“之前大部分材料的晶格都是天然的，现在我们可以通过半导体电子人工晶格自己创造晶格。”杜灵杰解释道，晶格和能带是现代半导体的基础，能带的调控意义重大。这就是科研创新的意义。
2023年，江苏设立了3个基础科学中心并推动实体化运行，探索统筹推进教育科技人才体制机制一体改革，不断激发科学研究的不竭动力和创新创造的旺盛活力。以南京大学为主体的物理科学研究中心成为物理学科研人员的创新“试验田”。2023年上半年，杜灵杰的研究曾一度陷入困境：实验要重新设计，前景未知，还需不断投入资金。得益于“试验田”承担的科技体制改革使命——充分的科研自主权，鼓励科研人员“敢于提出新理论、开辟新领域、探索新路径，在独创独有上下功夫”。短短一年，杜灵杰带着学生在这一块年轻的基础研究“试验田”里耕耘，夕寐宵兴。“坚定的科研支持、充足的经费保障，为研究雪中送炭，”杜灵杰如是说，“有了长期稳定的资助，可以专心干科研。”
量子物理学家深邃的工作与普罗大众之间似乎天然竖起一道不可逾越的鸿沟，神秘的量子在人群中的最终归宿似乎只能沦落为一个陌生的名词。关于量子物理在生活中的应用，杜灵杰解释，其实量子已经渗透在我们生活中了，比如我们手机上的一些半导体材料、医院的磁共振成像都用到了量子物理，还有多媒体教学使用的激光笔，激光本身也是跟量子力学有关。量子物理的每一次创新突破势必能推动国家科技的进步，改变人类生活的方式。“作为科研工作者，我们当然希望自己的研究成果能为国家高科技发展有所助力，能为人类生活变得更美好做出一点点贡献。”
扬子晚报/紫牛新闻记者杨甜子
校对盛媛媛
原标题：南京大学杜灵杰教授：首次观察到引力子在凝聚态物质中的“投影”