“黑房子”里的星辰大海

杜靈杰，南京大學物理學院教授、博士生導師，1986年出生于江蘇鎮江，2001—2004年在鎮江第一中學就讀，2004年通過保送進入南京大學理科強化班學習，2019年在南京大學物理學院擔任教授和項目負責人。

2024年，杜靈杰帶領團隊在量子物理領域取得重大進展，首次觀察到引力子在凝聚態物質中的準粒子，為在凝聚態物質中研究量子引力相關物理問題開辟了新的視野，這一重大成果入選2024年度“中國科學十大進展”和“中國十大科技進展新聞”。

覺醒：從渾噩的少年到“別人家的孩子”

上重點高中、保送南大、國外留學……這一路閃閃發光的履歷使得杜靈杰獲得了“學霸”的稱號，讓人認為他的求學之路很順利。其實，他并不是生來就是“別人家的孩子”，變化來自于他的覺醒，找到內驅力。

“我就是出生于一個普通家庭的普通孩子，父母都是工人，文化水平不高，并沒有給我什么特別的教育。小時候我很渴望知識，但也沒有太多的書籍可以閱讀。”杜靈杰說，那時候，他最喜歡干的事就是躺在床上神游太空，陷入對宇宙是怎么產生的、什么是時間、什么是空間等種種問題的思考中。

“我喜歡發呆和思考。這個習慣至今保持。”杜靈杰說。

可是他的初中生活并不順利，成績在全班排名倒數。他回憶說，那時的自己缺乏目標和動力，每天渾渾噩噩。突然有一天，他想改變這種狀態，成為優秀的人，開始覺醒。找到了內在的動力，不需要父母和老師敦促，他主動學習，每天熬夜刷題到凌晨一兩點，早上六七點起床繼續學習。有了內在動力，他也沒覺得這樣學習有多辛苦，反而有一種不服輸、迎難而上的勁頭。他的努力沒有白費，最終他考上了市重點高中的強化班。

探索：發現興趣、明確方向

中考是杜靈杰經歷的唯一的升學考試了，此后，他就被一路保送。但是，這看上去耀眼的“一路開掛”并沒有人預先就知道，只是一步步走著，就走成了這樣的“劇本”。

高中階段，杜靈杰繼續保持著之前的學習勁頭，他發現自己對數學和物理特別感興趣，知識點很容易理解，還能滿足他對世界的探索欲望。只要自己愿意投入時間和精力，就能在這兩個科目上取得好成績。他享受學習的過程，成績也穩步提升，到高三的時候，成績已經名列全班前幾名了，后來獲得保送南大的資格，進入南京大學理科強化班學習。

進入大學后，杜靈杰探索的腳步仍未停歇。他發現了幾件對他的人生來說至關重要的事：第一，相比進社會找工作， 他更喜歡做科學研究；第二，他不適合做理論研究，而是更適合從事實驗研究工作。

了解到自己適合和不適合的事情之后，杜靈杰逐漸明確了未來的職業方向，即從事實驗科學的研究。實驗科學是物理學的基礎，也是他真正感興趣的方向。

因為當時國內的實驗物理科學仍在發展中，因此他計劃出國讀博士，學習國外更先進的實驗科學技術，未來歸國可以更好地服務祖國。

“我喜歡做規劃，一旦方向明確，就給自己設立目標，既有長期目標，也有中短期的目標，會分階段規劃、靈活調整。”杜靈杰說。

杜靈杰如規劃的那樣，在南大研究生畢業后，去往美國萊斯大學攻讀物理學博士學位。

歸來：科研報國，不負時代

讀研時，杜靈杰選擇了量子物理方向，這個選擇出乎很多人的意料，因為量子力學當時還不像現在這么熱門，很多人對它的前景并不看好。但在杜靈杰看來，物理學純粹而有趣，對物理的興趣一直引領著他前行，“我喜歡沉浸在純粹的量子物理世界中自在探索，想要觀察它將給這個世界帶來什么改變。”

2011年，他拿到美國萊斯大學的全額獎學金，出國攻讀物理學博士學位，之后在哥倫比亞大學從事博士后研究。

在國外的幾年里，杜靈杰取得了不菲的科研成績，多次以第一作者、通訊作者身份在知名國際學術期刊上發表高水平論文，在拓撲激子絕緣態、半導體人工晶格等領域取得不俗突破。

在美國的學習經歷開闊了杜靈杰的視野，也讓他更加堅定了在量子物理領域深耕的決心。他始終心系祖國，國外雖然在實驗科學方面有更先進的設備和技術，但也存在一些問題，比如科研體制相對短視，更注重短期成果，可是基礎研究往往需要長期的投入和耐心，國內的科研環境和政策支持更適合他從事基礎研究。

“我從來沒想到在國外待一輩子，從規劃出國的那天起，我就知道我是要回來的，出國學習就是為了有朝一日可以報效祖國。”杜靈杰說。

奇跡：在科研“無人區”的探索

穿過金銀街的薔薇花樹和時尚小店，便是南京大學鼓樓校區唐仲英樓，杜靈杰的實驗室就在這里。

想象一下，你剛剛在金銀街的小吃攤前大快朵頤，享受著南京大學鼓樓校區周邊的煙火氣，而后，穿過芬芳撲鼻的薔薇花樹，進入了一個全新的世界——這便是2019年杜靈杰回到南大任教時第一時間搭建的“黑房子”。

走進實驗室，你會發現這里和外面的熱鬧形成了鮮明對比，這里安靜得只能聽到機器的輕微轟鳴聲。杜靈杰的實驗室被稱為“黑房子”，不是因為它陰森，而是因為它里面藏著一臺超級先進的實驗設備——大型光譜輸運聯動設備。這臺設備搭建就花了整整三年時間，在全世界也是唯一的一臺，可以說是科研界的“獨一份”。

“這里是超高真空，溫度是20mk，比宇宙的溫度高0.02度。”杜靈杰介紹著，臉上帶著自豪的微笑。他們在這里研究的是二維電子氣，這種神奇的物質在極低的溫度下會表現出一些新奇的物態。通過照光，讓光子和這些物態發生反應，科學家們就能探測到這些新物態的存在。

2024年3月，杜靈杰團隊在《自然》雜志上發表了一項震驚學術界的研究成果：他們首次觀察到了引力子激發——分數量子霍爾效應中涌現的引力子。這種引力子是諾貝爾物理學獎得主Haldane等人在理論上預言的，可以理解為一種兩維空間中的有質量引力子，因為其在實驗上表現為低能模式激發，所以也被稱為引力子模或引力子激發，但多年來一直沒有人能在實驗中觀察到。杜靈杰團隊的這一發現，就像是在黑暗中點亮了一盞明燈，為量子物理的相關研究開辟了新的方向。

事情要追溯到2019年，那時杜靈杰在分數量子霍爾效應中意外觀察到了一種新的集體激發，后來理論物理學家推測這一新的激發可能是分數量子霍爾效應中涌現的引力子。這觸發了杜靈杰率領實驗團隊在分數量子霍爾效應中去探尋這類神秘準粒子的存在。由于這種準粒子行為規律與引力子（身處三維空間）類似，而分數量子霍爾效應是通過半導體量子阱這種兩維電子系統來實現，也就是說少了一個空間維度，所以它被形象地稱為引力子在凝聚態物質中的“投影”。但找到這一“投影”、弄清背后機制的實驗非常艱難，該實驗對設備要求極高而且看似矛盾，一直極富挑戰性，一度被人認為是不可能完成的。

這一年，杜靈杰從國外回到南京大學，第一時間建立了量子極端測量實驗室。他帶領團隊從無到有，自主設計、集成組裝了一套極低溫強磁場共振非彈性偏振光散射系統。這個實驗室就像一個“黑房子”，把溫度、磁場、震動等實驗條件都推向了極致。在這個“黑房子”里，杜靈杰和他的團隊夜以繼日地工作，最終用完整的實驗證據，向世界宣告他們首次發現了引力子激發，這也是全球首次觀察到具有引力子特征的準粒子。

“基礎研究主要是面向未知的。”杜靈杰感慨，“國家和南大給了我們很大的自由空間，我們可以花幾年時間搭建儀器設備，可以沉下心來從事基礎研究。這些年來，真的能感覺到國家對基礎研究投入的重視。”

如今，在這個“黑房子”里，機器仍在24小時運轉，杜靈杰和他的團隊正向一種新的量子物態發起挑戰。

對話

《風流一代》：從杜博士到杜博導、杜教授，你現在有了學生，也帶著學生團隊創造了“奇跡”，你有什么團隊管理的秘籍嗎？

杜靈杰：沒有秘籍，我是85后，比我的學生也就大個十來歲。我常常跟我的學生們說，大家都是年輕人，要敢于走出“舒適區”、挑戰“無人區”，瞄準最前沿，引領新方向，闖出一條前人未曾走過的道路。方向找準了，就堅定地往前走。

《風流一代》：整個實驗過程漫長而曲折，但你都輕描淡寫，是什么支持著你不著急出論文、埋頭“黑屋子”記錄數據；不關注榮譽得失，專注光電信號每一刻的變化？

杜靈杰：對純粹的物理世界的興趣，引領著我不斷去拓展新的領域、研究新的課題、探索自然科學的奧秘。而且，我得到了來自國家、江蘇省和南大堅定的科研支持、充足的經費保障。尤其是近年來江蘇省科技廳牽頭成立的江蘇省物理科學研究中心，給了我們長期穩定的資助，這樣我們就可以專心干科研。

當時如果留在美國，我不可能從事現在這個引力子方面的研究，因為這東西是未知的，根本不知道幾年能有結果。

《風流一代》：在普通大眾眼里，量子物理學家的工作很深奧，量子物理很神秘，它在我們的生活中有應用嗎？

杜靈杰：其實量子已經滲透在我們生活中了，比如手機上的一些半導體材料、醫院里的磁共振成像都用到了量子物理，多媒體教學使用的激光筆的激光本身也跟量子力學有關。量子物理的每一次創新突破最終勢必能推動國家科技的進步，改變人民生活的方式。

《風流一代》：你認為你的工作意義是什么？

杜靈杰：我主要從事基礎研究，基礎研究的成果往往是很難預測的，并且有時越是不能被預測的東西，往往越重要。基礎研究主要解決“0到1”的問題，它不能立刻告訴我們這個有什么用，但是可以拓展我們對世界的認知邊界，相當于把“毛坯房”給搭出來。基礎研究看起來離我們的日常生活較遠，但卻是整個科學體系的源頭和所有技術問題的總開關，所以對這個世界哪怕多一點點認知，最終都會帶來指數級的技術進步和造福全人類的好處。

《風流一代》：如今AI正在風行，你如何看待人工智能的發展？

杜靈杰：AI是一個非常有用的工具，尤其在處理大量數據和復雜計算方面，AI可以幫助科研人員更高效地進行數據分析和模型構建，從而節省時間和精力，專注于更有創造性的研究工作。比如，在實驗物理中，AI未來可以幫助處理大量的實驗數據，快速找到潛在的規律和趨勢。盡管AI在處理已知問題和模式方面表現出色，但在面對全新的、未知的問題時，AI往往捉襟見肘，因為其缺乏真正的創造力。未來的發展方向是人類與AI協作，而不是AI完全取代人類。人類的創造力和判斷力在解決復雜問題時不可替代。

《風流一代》：你對未來有什么樣的計劃嗎？

杜靈杰：科研永遠在路上，創新沒有完成時。做好眼前的工作，一步一步地往前走。作為科研工作者，我希望自己的研究成果能對國家高科技發展有所助力，能為人類生活變得更美好做出一點點貢獻。