今年1月，中國科學院、中國工程院評選的“2024年中國/世界十大科技進展新聞”中，杜靈傑團隊領銜的“我國科學家在世界上首次觀察到凝聚態物質中的引力子模進展”入選。這是繼 2019 年觀測到激子分數量子霍爾效應後杜靈傑團隊又一引起世界關注的重大科研突破 ，標誌著世界範圍內首次在真實系統中觀察到具有引力子特徵的準粒子。這一重大發現，對理解全新的關聯量子物理以及實現拓撲量子計算機的執行有至關重要的意義。
杜靈傑在兩院院士評選2024年中國/世界十大科技進展新聞釋出會上領獎
關於世界，物理學會給出答案
1986年出生於江蘇鎮江的杜靈傑是“生在春風裡，長在紅旗下”的標準80後。童年時期，杜靈傑趕上了改革開放的浪潮，各種新奇物件湧入中國；90年代，網際網路的浪潮席捲全球，邁過千禧年的門檻，透過網際網路，杜靈傑看到了一個豐富多彩的世界，同時更激發了他強烈的好奇心和探索欲。宇宙為什麼是黑色的？物質都是由什麼組成的？電腦裡那麼小的電晶體為什麼能做那麼複雜的運算？一個又一個問號浮現在杜靈傑的腦海中，他對於世界的好奇，都指向了一個解答方式——物理學。
物理學領域，最為神秘也是最吸引杜靈傑的，莫過於量子物理學。2008年，杜靈傑在南京大學理科強化部本科畢業後，順利保送南京大學物理學院攻讀碩士研究生學位，並選擇了當時比較冷門的量子物理學作為研究方向。彼時，量子物理學對於整個社會而言是十分陌生的概念，甚至被貼上了“沒什麼用”的標籤，而杜靈傑卻不這麼認為。
他說，量子物理學最終也許可以解釋世界的存在，而且隨著我們對量子物理學的探究，它們已經深度參與到科研甚至日常生活中。如鈮酸鋰人工超晶格透過量子物態調控，可以製備新型高效能雷射器，並且在量子通訊方面有著重要意義。再比如2023年10月，我國自主研發的量子計算機“九章三號”重新整理了光量子資訊的技術水平和“量子計算優越性”的世界紀錄。量子物理學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支撐。
時至今日，杜靈傑仍然能夠清晰回憶起自己完成“第一個”量子科研專案的激動心情。2010年1月中旬的一天，凌晨3點仍在閱讀文獻的杜靈傑，受到啟發想到：愛因斯坦曾提出的AB係數理論是產生雷射的理論基礎，而在量子環境中，該理論可能會有不同的結果。
基於此，杜靈傑開始進行理論研究，他建立了量子噪音環境下的Landau-Zener-Stückelberg（LZS）干涉理論，發現利用 LZS干涉，即使是兩能級，也能透過量子噪音產生粒子數反轉。此後，這一理論研究結果發表在物理學國際著名期刊上。這一研究成果證明了AB 係數理論不適用於量子噪音環境，為基於兩能級人工系統的新型雷射研究奠定了理論基礎。
海外求學，回國報效是初心更是理想
2011年，杜靈傑順利獲得美國萊斯大學全額獎學金，出國攻讀物理學博士學位，基於半導體系統從事電子輸運的實驗研究，此後又進入哥倫比亞大學從事博士後研究工作，並開始嘗試全新的方向——開展分數量子霍爾效應中光學實驗的研究工作，他再次在量子世界中進行新的求索。
2019年，杜靈傑在分數量子霍爾效應中觀察到了一種新的集體激發，這一成果被科研界認為可能是分數量子霍爾引力子存在的證據。分數量子霍爾引力子在實驗上表現為自旋2的低能模式集體激發，所以也被稱為引力子模或引力子激發，可以理解為兩維空間中的有質量引力子，其行為規律與四維時空中的無質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，杜靈傑則要成為將這個量子世界中的“水中月”具象化的人。此後，尋找分數量子霍爾引力子成為杜靈傑的科研“小目標”。
同年，結束博士後研究工作的杜靈傑回到母校南京大學開始半導體領域的相關研究工作。彼時，中國在該領域仍與發達國家存在差距，且隨著中美關係的變化，晶片領域“卡脖子”現象十分頻繁。除了量子物理基礎研究，利用自己的所學讓我國在晶片製造領域突破“卡脖子”，也是杜靈傑給自己設定的報國志向，直到現在他仍然在這個方向上默默推進。
由於杜靈傑在求學期間的突出成就，他回國時曾引起很多人關注。他說，我從出國的那一刻到回到祖國時，初心都不曾改變，就是要學成歸來報效祖國，在我所從事的研究領域，讓我國的相關科研水平發展甚至領先，對於留學報國這件事，我沒有一絲猶豫，正如父親一直告誡我的“祖國培養的你，你學成後要回來成為一名科學家，幫助中國發展科技”。
潛心科研，物理學不會辜負所有的付出
引力子和引力波對應，引力波目前已經被證實，而引力子的存在一直處於理論中，在此之前從未被實驗觀察到。在2024年，杜靈傑團隊利用在南京大學搭建的觀測裝置，在砷化鎵半導體量子阱中觀察到了分數量子霍爾引力子，並分別從自旋、動能、能量三個角度確認了相關實驗資料。這是自20世紀30年代引力子概念被提出以來首次在實驗中觀測到具有引力子特徵的準粒子，對量子領域的研究意義重大。
杜靈傑與團隊人員開會探討實驗方向
回想起這次發現過程的種種艱辛，杜靈傑用“一波三折”來形容。
杜靈傑團隊面臨的第一個挑戰就是觀測設施的問題。由於分數量子霍爾效應觀測條件極為苛刻，觀測設施需要滿足比地球磁場高出10萬倍的磁場強度以及比絕對零度高0.05攝氏度的嚴苛溫控條件。同時，觀測設施還需要擁有極其敏感的感光條件。
為此，杜靈傑帶領團隊在南京大學歷時三年自主研發搭建了一臺兩層樓高的極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統。
然而，即便有“利器在手”，量子世界的探索仍舊舉步維艱。開始實驗的前4個月，杜靈傑及其團隊一無所獲。每當此時，他都會安慰團隊成員，“耐心點、沉下心”。歷經重重困難後，在海量資料中，杜靈傑終於發現了引力子激發的微弱訊號。團隊十分興奮，他們迅速將觀測結果形成論文並向世界知名學術研究雜誌《自然》投稿，沒想到卻因為“證據不足”被退回。
接連的打擊沒有讓杜靈傑喪失信心，他心裡想的是一定要搞清楚實驗上到底觀察到了什麼。曾經很多人問起他，如果這次實驗最後沒有達到預期目標，你多年來的努力是“一場空”怎麼辦？他都笑著說，“不會的，科學是面向未知的探索，而我們已經觀察到了新的實驗現象，其背後一定有著新的物理。而揭示新的物理從來都是重要的事情，物理學不會辜負我們的付出。”
杜靈傑與團隊人員分析實驗資料
嚴苛的實驗條件以及被退回的論文反而燃起了杜靈傑求證探索的決心。如果失敗，那也是成功排除了一個錯誤選項，堅持下去總會成功。秉承著這樣的信念，杜靈傑帶領團隊不斷“試錯”，每一步都更接近成功。
2024年1月，杜靈傑終於蒐集到了足夠的證據，充分證明了分數量子霍爾引力子的觀測結果，並將觀測結果發表在3月的《自然》雜誌上，這是世界上首次觀察到引力子在凝聚態物質中對應的準粒子。
現如今，除了科技工作者、教育工作者之外，杜靈傑還同時身兼多個社會職務。2025年1月，杜靈傑當選為南京大學歐美同學會副會長。他說，我出國求學的初心是開闊視野、增長見識、學習技能、留學報國，希望依託南京大學歐美同學會的組織優勢和平臺勢能，為更多像我一樣的學長、學子找到人生方向，報效祖國。
來源 ：《留學生》雜誌
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