今年1月，中國科學(xué)院、中國工程院評(píng)選的“2024年中國/世界十大科技進(jìn)展新聞”中，杜靈杰團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的“我國科學(xué)家在世界上首次觀察到凝聚態(tài)物質(zhì)中的引力子模進(jìn)展”入選。這是繼2019年觀測到激子分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)后杜靈杰團(tuán)隊(duì)又一引起世界關(guān)注的重大科研突破，標(biāo)志著世界范圍內(nèi)首次在真實(shí)系統(tǒng)中觀察到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子。這一重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)理解全新的關(guān)聯(lián)量子物理以及實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的運(yùn)行有至關(guān)重要的意義。

杜靈杰在兩院院士評(píng)選2024年中國/世界十大科技進(jìn)展新聞發(fā)布會(huì)上領(lǐng)獎(jiǎng)

　　關(guān)于世界，物理學(xué)會(huì)給出答案

　　1986年出生于江蘇鎮(zhèn)江的杜靈杰是“生在春風(fēng)里，長在紅旗下”的標(biāo)準(zhǔn)80后。童年時(shí)期，杜靈杰趕上了改革開放的浪潮，各種新奇物件涌入中國；90年代，互聯(lián)網(wǎng)的浪潮席卷全球，邁過千禧年的門檻，通過互聯(lián)網(wǎng)，杜靈杰看到了一個(gè)豐富多彩的世界，同時(shí)更激發(fā)了他強(qiáng)烈的好奇心和探索欲。宇宙為什么是黑色的？物質(zhì)都是由什么組成的？電腦里那么小的晶體管為什么能做那么復(fù)雜的運(yùn)算？一個(gè)又一個(gè)問號(hào)浮現(xiàn)在杜靈杰的腦海中，他對(duì)于世界的好奇，都指向了一個(gè)解答方式——物理學(xué)。

　　物理學(xué)領(lǐng)域，最為神秘也是最吸引杜靈杰的，莫過于量子物理學(xué)。2008年，杜靈杰在南京大學(xué)理科強(qiáng)化部本科畢業(yè)后，順利保送南京大學(xué)物理學(xué)院攻讀碩士研究生學(xué)位，并選擇了當(dāng)時(shí)比較冷門的量子物理學(xué)作為研究方向。彼時(shí)，量子物理學(xué)對(duì)于整個(gè)社會(huì)而言是十分陌生的概念，甚至被貼上了“沒什么用”的標(biāo)簽，而杜靈杰卻不這么認(rèn)為。

　　他說，量子物理學(xué)最終也許可以解釋世界的存在，而且隨著我們對(duì)量子物理學(xué)的探究，它們已經(jīng)深度參與到科研甚至日常生活中。如鈮酸鋰人工超晶格通過量子物態(tài)調(diào)控，可以制備新型高性能激光器，并且在量子通信方面有著重要意義。再比如2023年10月，我國自主研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)“九章三號(hào)”刷新了光量子信息的技術(shù)水平和“量子計(jì)算優(yōu)越性”的世界紀(jì)錄。量子物理學(xué)為提升人類科技水平的深度與廣度提供了廣闊的想象空間和技術(shù)支撐。

　　時(shí)至今日，杜靈杰仍然能夠清晰回憶起自己完成“第一個(gè)”量子科研項(xiàng)目的激動(dòng)心情。2010年1月中旬的一天，凌晨3點(diǎn)仍在閱讀文獻(xiàn)的杜靈杰，受到啟發(fā)想到：愛因斯坦曾提出的AB系數(shù)理論是產(chǎn)生激光的理論基礎(chǔ)，而在量子環(huán)境中，該理論可能會(huì)有不同的結(jié)果。

　　基于此，杜靈杰開始進(jìn)行理論研究，他建立了量子噪音環(huán)境下的Landau-Zener-Stückelberg(LZS)干涉理論，發(fā)現(xiàn)利用LZS干涉，即使是兩能級(jí)，也能通過量子噪音產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此后，這一理論研究結(jié)果發(fā)表在物理學(xué)國際著名期刊上。這一研究成果證明了AB系數(shù)理論不適用于量子噪音環(huán)境，為基于兩能級(jí)人工系統(tǒng)的新型激光研究奠定了理論基礎(chǔ)。

　　海外求學(xué)，回國報(bào)效是初心更是理想

　　2011年，杜靈杰順利獲得美國萊斯大學(xué)全額獎(jiǎng)學(xué)金，出國攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，基于半導(dǎo)體系統(tǒng)從事電子輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究，此后又進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究工作，并開始嘗試全新的方向——開展分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中光學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究工作，他再次在量子世界中進(jìn)行新的求索。

　　2019年，杜靈杰在分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到了一種新的集體激發(fā)，這一成果被科研界認(rèn)為可能是分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子存在的證據(jù)。分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子在實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為自旋2的低能模式集體激發(fā)，所以也被稱為引力子?；蛞ψ蛹ぐl(fā)，可以理解為兩維空間中的有質(zhì)量引力子，其行為規(guī)律與四維時(shí)空中的無質(zhì)量引力子有很多相似之處，而且都極難觀察。它們像是倒映在量子世界一汪大海中的那輪明月，杜靈杰則要成為將這個(gè)量子世界中的“水中月”具象化的人。此后，尋找分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子成為杜靈杰的科研“小目標(biāo)”。

　　同年，結(jié)束博士后研究工作的杜靈杰回到母校南京大學(xué)開始半導(dǎo)體領(lǐng)域的相關(guān)研究工作。彼時(shí)，中國在該領(lǐng)域仍與發(fā)達(dá)國家存在差距，且隨著中美關(guān)系的變化，芯片領(lǐng)域“卡脖子”現(xiàn)象十分頻繁。除了量子物理基礎(chǔ)研究，利用自己的所學(xué)讓我國在芯片制造領(lǐng)域突破“卡脖子”，也是杜靈杰給自己設(shè)置的報(bào)國志向，直到現(xiàn)在他仍然在這個(gè)方向上默默推進(jìn)。

　　由于杜靈杰在求學(xué)期間的突出成就，他回國時(shí)曾引起很多人關(guān)注。他說，我從出國的那一刻到回到祖國時(shí)，初心都不曾改變，就是要學(xué)成歸來報(bào)效祖國，在我所從事的研究領(lǐng)域，讓我國的相關(guān)科研水平發(fā)展甚至領(lǐng)先，對(duì)于留學(xué)報(bào)國這件事，我沒有一絲猶豫，正如父親一直告誡我的“祖國培養(yǎng)的你，你學(xué)成后要回來成為一名科學(xué)家，幫助中國發(fā)展科技”。

　　潛心科研，物理學(xué)不會(huì)辜負(fù)所有的付出

　　引力子和引力波對(duì)應(yīng)，引力波目前已經(jīng)被證實(shí)，而引力子的存在一直處于理論中，在此之前從未被實(shí)驗(yàn)觀察到。在2024年，杜靈杰團(tuán)隊(duì)利用在南京大學(xué)搭建的觀測裝置，在砷化鎵半導(dǎo)體量子阱中觀察到了分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子，并分別從自旋、動(dòng)能、能量三個(gè)角度確認(rèn)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是自20世紀(jì)30年代引力子概念被提出以來首次在實(shí)驗(yàn)中觀測到具有引力子特征的準(zhǔn)粒子，對(duì)量子領(lǐng)域的研究意義重大。

杜靈杰與團(tuán)隊(duì)人員開會(huì)探討實(shí)驗(yàn)方向

　　回想起這次發(fā)現(xiàn)過程的種種艱辛，杜靈杰用“一波三折”來形容。

　　杜靈杰團(tuán)隊(duì)面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是觀測設(shè)施的問題。由于分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)觀測條件極為苛刻，觀測設(shè)施需要滿足比地球磁場高出10萬倍的磁場強(qiáng)度以及比絕對(duì)零度高0.05攝氏度的嚴(yán)苛溫控條件。同時(shí)，觀測設(shè)施還需要擁有極其敏感的感光條件。

　　為此，杜靈杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在南京大學(xué)歷時(shí)三年自主研發(fā)搭建了一臺(tái)兩層樓高的極低溫強(qiáng)磁場共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。

　　然而，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍舊舉步維艱。開始實(shí)驗(yàn)的前4個(gè)月，杜靈杰及其團(tuán)隊(duì)一無所獲。每當(dāng)此時(shí)，他都會(huì)安慰團(tuán)隊(duì)成員，“耐心點(diǎn)、沉下心”。歷經(jīng)重重困難后，在海量數(shù)據(jù)中，杜靈杰終于發(fā)現(xiàn)了引力子激發(fā)的微弱信號(hào)。團(tuán)隊(duì)十分興奮，他們迅速將觀測結(jié)果形成論文并向世界知名學(xué)術(shù)研究雜志《自然》投稿，沒想到卻因?yàn)椤白C據(jù)不足”被退回。

　　接連的打擊沒有讓杜靈杰喪失信心，他心里想的是一定要搞清楚實(shí)驗(yàn)上到底觀察到了什么。曾經(jīng)很多人問起他，如果這次實(shí)驗(yàn)最后沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，你多年來的努力是“一場空”怎么辦？他都笑著說，“不會(huì)的，科學(xué)是面向未知的探索，而我們已經(jīng)觀察到了新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其背后一定有著新的物理。而揭示新的物理從來都是重要的事情，物理學(xué)不會(huì)辜負(fù)我們的付出?！?/span>

杜靈杰與團(tuán)隊(duì)人員分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件以及被退回的論文反而燃起了杜靈杰求證探索的決心。如果失敗，那也是成功排除了一個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)，堅(jiān)持下去總會(huì)成功。秉承著這樣的信念，杜靈杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不斷“試錯(cuò)”，每一步都更接近成功。

　　2024年1月，杜靈杰終于搜集到了足夠的證據(jù)，充分證明了分?jǐn)?shù)量子霍爾引力子的觀測結(jié)果，并將觀測結(jié)果發(fā)表在3月的《自然》雜志上，這是世界上首次觀察到引力子在凝聚態(tài)物質(zhì)中對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)粒子。

　　現(xiàn)如今，除了科技工作者、教育工作者之外，杜靈杰還同時(shí)身兼多個(gè)社會(huì)職務(wù)。2025年1月，杜靈杰當(dāng)選為南京大學(xué)歐美同學(xué)會(huì)副會(huì)長。他說，我出國求學(xué)的初心是開闊視野、增長見識(shí)、學(xué)習(xí)技能、留學(xué)報(bào)國，希望依托南京大學(xué)歐美同學(xué)會(huì)的組織優(yōu)勢和平臺(tái)勢能，為更多像我一樣的學(xué)長、學(xué)子找到人生方向，報(bào)效祖國。