深研凝聚態物理，于無人處更進一步

抬頭望，星空總是靜謐深邃又復雜多變，其中既有“星垂平野闊，月涌大江流”的雄渾開闊，亦含“醉后不知天在水，滿船清夢壓星河”的柔美沉醉，還有“纖云弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗度”的情絲期盼……但若要厘清星芒之間暗含的理學規律，將思想的邊界延伸至遠方，還要依靠“析萬物之理，判天地之美”的物理學。

物理學當然是美的，它熠熠生輝地閃耀在對原初想法的鍛造中。身處其中的人越是向前觸及科學的前沿，接近人類認知能夠抵達的邊界，越會覺得自己眼前風光旖旎，流連忘返。也正因如此，南京大學物理學院副教授王銳才會將自己人生的航船義無反顧地駛向物理學凝聚態理論的學海之中，且始終不改初心，在一次次直覺和嘗試里將對理學智慧的熱愛訴說，在那些與失敗擦肩而過的境遇里，也能保持著嚴謹的科學思維去探究星辰大海宇宙蒼穹的秘密，追尋萬事萬物的本質。

“窺上帝奧秘”

對少時的王銳來講，物理有形——它既可以是父親口中每一件“奇聞異事”，也可以是紀錄片中一幅幅瑰麗畫卷，更可以是課堂上一道道百思不得其解的謎題，發人深省又引人入勝，好像掌握了其間原理就可“一窺上帝的秘密”。正因如此，他肯將幾乎全部精力都用來解題、“描畫”與拆解事件機理。但他漸漸發現，僅靠學習、研究表象其實無法靠近物理學的真諦，因為物理學最終所要探究和描述的是萬物的本質與世界的規律。由此，他只得加倍努力，并在十幾歲的年紀就暗自立下了要成為物理學家的美好期許。

世界上最幸運的事情之一，莫過于一個人的天賦、興趣與努力高度統一還互成正比。在通往夢想的路上，王銳很快就覺察到教材中的寥寥數語已經滿足不了他的一片好奇之心，所以他開始自學。從高中到大學、從物理到數學，他看過的理學專業書數量遠超自己的同齡人，心甘情愿地讓自己的課余時間被學術占據。但出人意料的是，高考的失常發揮與文科學科上的不足讓他與預期院校失之交臂，但他仍然秉持著對物理的堅持，盡管身邊不斷有親友、老師嘗試勸導他填報金融、計算機等熱門專業，理由是物理學是純理論學科，知識點相對枯燥，就業前景也不甚明確……但王銳卻斬釘截鐵，“我一定要報考理論物理專業，其他事情我不在乎”。而這份篤定背后，也飽含著父母的有力支持，“他們的鼓勵讓我在堅定選擇的同時也鞭策自己，要在科研的道路上做出原創性理論，這才不算辜負他們的期待”。

言出必踐，一份年少意氣卻成為王銳此后幾十年的奮斗目標，從本科到研究生，不變的是他如鯨向海般奔向物理學藍海的赤誠，但他的行事風格、思想維度卻變得越來越豐富、越來越沉穩。

初入大學校園時，王銳心中只有一個感受——自由。暫時脫離了“全面發展”的規訓，晨讀晚課的記憶也逐漸淡化于“昨天”……他可以只想自己所想、只學自己愛學。于是，他開始常常泡在圖書館里，與龐加萊、希爾伯特、佩雷爾曼等巨匠“對話”，在高等代數、群論、量子力學的世界里共情著先人的悲喜，“那真的是非常充實和純粹的一段日子，我漫無目的地看各種書，非線性物理、混沌、量子信息、量子計算等方面的知識都非常吸引我”。在導師曹天德教授的教導下，他越發認識到物理學中充滿了一個個“驚世駭俗”的理論，它將宇宙做了驚人的簡化，例如空間不再是一種有別于物質的東西，而是構成世界的“物質”成分之一，一種可以波動、彎曲、變形的實體……越是深入了解，王銳的興趣就越被激發，而當他開始急于投入研究，卻得到了導師的勸解：“不要執著于一時成績，沉下心去。只有將基礎打牢，厚培科學土壤，才能開出創新之花。”

巧合的是，當王銳以南京大學理論物理專業第一的成績被南京大學物理學院錄取之后，其研究生導師王伯根教授也對他說了幾乎相同的話。王銳很清楚，這是導師們的人生積淀，也是對他優越物理天賦的愛護與珍惜。所以，他徹底摒棄了“急于求成”的心態，堅信蔓蔓日茂，早開者榮，晚開者亦榮，只要保持“扶搖直上九萬里”的勁頭，主動把一件件小事做好，終能積小勝為大勝、積跬步至千里。在身邊幾乎所有同學都泡在實驗室，或是埋頭構思論文忙于畢業事宜時，王銳仍然不知疲倦地沉浸在理論物理基礎知識的學習中。他花了近兩年時間把基礎卻艱深的理論課程重新進行了學習與梳理，其中包括量子場論、重整化群、量子多體理論及數學方面的代數拓撲等方面的知識。“回憶起來，這兩年時間仿佛為自己建立起了一套完整的理論框架，學會了‘在水中游泳卻不下沉’的本領，就等著到波濤洶涌的地方試煉自己。”

在王銳的殷殷期待中，博士階段的他跟隨導師正式走入科研。事實證明，前期的充分積累發揮了重要作用，導師布置的課題他基本上1～2周內就可以得到最終結果，而且可以快速讀懂前沿的艱深理論文獻。但王銳卻逐漸感受到自身認知上的空虛，“人類對世界的認知往往是片面的，必須通過不斷研究、探索來修正對萬事萬物的理解”。懷抱著這樣的初心和態度，且得到導師王伯根教授的充分認可與勉勵后，王銳走出國門，遠赴美國休斯頓大學德州超導中心從事博士后研究，揭開一頁事業新篇。

“析量子之理”

“我們渴望探索空間紋理的細微之處，探索宇宙的起源、時間的本質及思維的運行。在人類已知的最前沿，我們將繼續航行于未知的大海，因為世界的奧秘與美麗仍在熠熠生輝，令人目眩神迷。”這是王銳與學術知己——美國麻省大學提格蘭·塞德拉基安（Tigran Sedrakyan）教授的共同信念，也是促成二者合作的本源動力。

2017年，王銳與塞德拉基安教授進行了為期兩個月的學術交流。在這一時期，王銳已經意識到是時候嘗試做出自己的原創理論，也立志解決領域內存在的一些痛難點問題。巧合的是，二人一見如故，連想法也是出奇的契合。于是在一番闊步高談下，王銳確定了一個重要的研究方向，即構建關聯拓撲序的一般性理論。在凝聚態理論中，傳統的有序態可以用朗道的對稱破缺理論給出相對統一的理論描述，然而對于復雜的關聯系統中的拓撲序，學界仍然缺乏統一的普遍認識。“但若以構建一個全新的框架性理論作為目的，顯然是一個極其遙遠甚至有些不切實際的想法，那么就從小處著眼，從眼下做起。”王銳如此考慮。

經過連續兩個月的“頭腦風暴”，王銳和塞德拉基安教授初步確立了研究思路。對于這次嘗試，王銳將其評價為“不計成敗”，“成功了可以提升自己的科研信心，失敗了也可汲取教訓，更加接近真理”。他們最終以量子磁性系統作為切入點嘗試構建關聯拓撲序的新理論描述，時間跨度長達6年，目前已發展出一套基于陳-西蒙斯場論的理論方法。

其間，王銳的奮行腳步還涉及上海交通大學，不過最終，他還是選擇回歸南京大學，在熟悉的土地上耕耘著自己決意守護的事業，繼續書寫自己對物理學的期待與追求。值得一提的是，在這6年間，王銳還收獲了自己人生中第一篇發表于《自然》（Nature）的學術文章。這篇文章記錄著由南京大學（王銳副教授、杜靈杰教授、王伯根教授）、美國麻省大學艾姆赫斯特分校（提格蘭·塞德拉基安副教授）、北京大學（杜瑞瑞教授）組成的合作團隊在電子-空穴關聯系統中激子拓撲序的研究中取得的重要進展——成果不僅在理論上提出了關聯激子由于阻挫效應導致強量子漲落所產生的玻色子拓撲序的新機制，也在實驗上觀察到了電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中通過激子形成的時間反演對稱破缺的新型拓撲態，創新性地揭示了激子系統中的玻色子拓撲序。

拓撲序概念的建立很大程度上受到了分數量子霍爾效應的啟發，這也是當代凝聚態物理的前沿研究熱點之一。相關成果早在1998年就斬獲過諾貝爾物理學獎，其在未來的拓撲量子計算方面仍具有應用的巨大潛力。但這之中始終存在一個懸而未決的問題：能否在相互作用玻色子系統中產生具有拓撲序的分數量子霍爾態。人們曾嘗試在冷原子系統中進行研究，但仍不得要領。于是，在充分深研了關于阻挫自旋模型理論研究后，一個突破性的實驗想法逐漸成型于王銳腦海之中：當自旋系統中的硬核玻色子具有一圈高度簡并的能帶（稱為“moat能帶”），相互作用的玻色子便會產生很強的動能阻挫，使得系統不能發生傳統的玻色凝聚，而是形成具有拓撲序的手征自旋液體。

凝聚態物理理論中，電子和空穴可以發生配對，產生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反轉型量子阱可以提供研究激子基態的可控平臺。當電子和空穴濃度不平衡時，系統所產生的激子具有moat型能帶。強阻挫效應使得激子不發生玻色凝聚，進而產生一類具有長程量子糾纏的激子拓撲序，其物理圖像等價于激子形成的分數量子霍爾態。而在實驗方面，王銳團隊成員進一步發現，在電子和空穴濃度很不平衡的門電壓區域內，激子體態始終保持絕緣且存在著能隙。在這一區域內，輸運測量揭示了體系存在著拓撲邊緣態，產生了一個拓撲激子絕緣區。神奇的是，隨著垂直磁場的增加，邊緣態輸運行為從零磁場下的類螺旋型逐漸轉變為類手征型；最終在強磁場下，邊緣態電導接近量子化值。這一實驗現象與傳統的霍爾效應可謂大相徑庭，同時其磁阻行為也區別于量子自旋霍爾效應，已無法用已知的拓撲物態來解釋和描述，但激子拓撲序卻可以。

與量子自旋霍爾效應不同，激子拓撲序無需時間反演對稱的保護，在垂直磁場下這一對邊緣態不會打開能隙，而是在實空間分離，導致向類手征型輸運轉變，從而揭示出一種新型的玻色子（激子）分數量子霍爾態，不僅可以豐富傳統的激子凝聚相圖，也開辟了關聯玻色子系統中拓撲物態研究的新方向。

然而，在王銳的描述中，這一突破性成果差點“夭折”，原因在于團隊似乎走到了“無人之處”，正如《自然》（Nature）工作人員長達3頁紙的首次返稿意見所說：“領域內的研究一直在進步，但還沒有人得出和你們推演相同的結論，其間還有許多問題需要進一步被解釋。”謙虛地接受，再自信地給予，面對真誠的建議與疑問，王銳團隊將成百上千個日夜的打磨與論證通通寫進了百頁紙的回復里，最終獲得了評委的一致青睞與認同。但王銳卻決不會留戀榮譽，相反，“析萬物之理，創自我理論”的燈塔仍佇立、閃亮在他心里，助他無論何時都平心靜氣，腳踏實地。

“秉精神內核”

十數年前，“數學隱士”佩雷爾曼拒絕接受菲爾茨獎，這不是他傲慢的體現，反而正是他潛心研究、淡泊名利的終極奧義；十數年后，作為佩雷爾曼的“粉絲”，王銳雖謙遜稱自己無法達到大師級別的超凡脫俗，但也只會將獎項視為對過往工作的獎勵，并不會影響自己的科研心態與精神內核。

“我是一個不愛追熱點的人。”無論科研還是生活，王銳都是如此。從他一心撲在強關聯與拓撲問題上便有所感知。近日，基于從前的科研成果，無論是演生近藤效應的新機制，還是雜質態和拓撲態之間的相互聯系，都令王銳深覺強關聯和拓撲深度結合的路徑上仍存許多荊棘，他也因此不得不重新審視關聯拓撲物態的系統性理論方法、探測或表征多體系統拓撲性質的手段等關鍵問題。而國家自然科學基金優秀青年科學基金項目“強關聯系統的基本理論”就是他審視過后的一次全新試煉，也是探索新路徑的絕佳平臺。因此，在項目如火如荼進行著的歲月里，王銳始終樂此不疲，但對科研人員來說，要看到學術的“桃花源”卻并不容易，天分、努力、運氣可能是幫手也可能是“對手”。不過舉步入荒徑，只為少人行，在王銳的概念里，即便物理世界“初極狹”，只要“肯復行”，也終得豁然開朗、柳暗花明。