在量子世界中探索奥秘（科技自立自强·青年科学家）

　　在南京大学物理学院教授杜灵杰看来，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，杜灵杰团队的一项最新研究成果发表在《自然》杂志，引发关注。勇探科研前沿、从无到有搭建实验设备、在研究中不断突破思维定势，杜灵杰说，是浓厚的兴趣引领他坚持不懈，步履不停。

　　最近，1986年出生的南京大学物理学院教授杜灵杰“火”了。

　　3月28日，《自然》杂志发表了杜灵杰团队的一项最新研究成果。他们利用极端条件下的偏振光散射技术，在砷化镓量子阱中对分数量子霍尔效应的集体激发进行了测量。这是引力子这一概念被提出以来，世界范围内首次在真实系统中发现具有引力子特征的准粒子，被领域内的理论学家们称为分数量子霍尔效应引力子。

　　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。

　　兴趣引领，向科研前沿发起挑战

　　杜灵杰出生在江苏镇江，从小就喜欢对自然现象刨根问底，上了高中，他发现自己好奇的问题都属于物理学范畴，便选择了理科，本科时进入南京大学理科强化部就读。

　　读研时，杜灵杰选择了量子物理方向。这一选择在当时看来有些出人意料，因为那时的量子物理还是一个“有点看似不着边际”的领域——学习它会有什么“用处”，还不明确。而杜灵杰正是看中了它的“有趣而纯粹”。

　　硕士研究生毕业后，杜灵杰在博士研究生阶段选择了半导体作为进一步研究量子物理的载体。为了拓展研究视野，到了博士后阶段，他开始尝试全新的光学实验研究，开始接触分数量子霍尔效应。

　　分数量子霍尔效应中存在着微观世界里一种从来没被发现过的全新物态，只有在极端条件下才会被观测到。它的出现打开了人类认识世界的一扇窗口，但也因为观测条件的严苛，研究难度极高，研究者相对较少。

　　2019年，杜灵杰与合作者首次在光学观测中，发现分数量子霍尔效应中出现集体激发，即大量电子集体性的能量跃迁——就像平静的湖面上突然激起数不清的、不同形状的涟漪。论文发出后，被理论物理学家认为可能是分数量子霍尔效应引力子存在的证据。

　　其实，多年前就有理论预言，凝聚态物质中可能存在一种分数量子霍尔效应引力子。由于它的行为规律与引力子类似，被形象地称为引力子在凝聚态物质中的“投影”。但寻找这一“投影”、弄清背后机制的实验非常艰难。

　　2019年，杜灵杰结束博士后工作，回到南京大学物理学院从事科研工作。他决定，要向这一科研前沿发起挑战。

　　历时3年，从无到有搭建观测“望远镜”

　　实验的前提是要有合适的仪器设备。然而当时，在全世界范围内也没有符合要求的实验设备。因为实验的条件极其苛刻，而且还看似自相矛盾。实验的必要条件，一个是强磁场，比地球常规磁场强度高出10万倍；另一个是极低温，比物理学意义上绝对零度（零下273.15摄氏度）高出0.05摄氏度。

　　虽然强磁场和极低温环境可以通过设备来实现，但实验过程中需要进行光学测量，设备上就要安装“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，造成观测失败。

　　“国外团队采用湿式稀释制冷，每天往实验装置中灌入液氦来实现降温。但我们采用的是干式稀释制冷，即用压缩机制冷。”杜灵杰解释，压缩气体的过程中会造成振动，让实验难上加难。此外，南方潮湿的环境对光学实验也是一大挑战。