訪談實(shí)錄

最近我們關(guān)注到南京大學(xué)物理學(xué)院的杜靈杰教授團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表了一篇文章，說發(fā)現(xiàn)了引力子特征的準(zhǔn)粒子。這個（研究）引發(fā)了網(wǎng)友的熱議。網(wǎng)絡(luò)上有一種說法，說這項(xiàng)成果有可能成為預(yù)定諾獎的成果，發(fā)現(xiàn)了引力子的“投影”。

那這項(xiàng)成果到底有什么影響呢？今天我們就邀請到了南京大學(xué)物理學(xué)院杜靈杰教授，還有新加坡南洋理工大學(xué)物理系的楊波教授，請他們和大家一起聊一聊。

主持人：杜老師您好！最近我們關(guān)注到您在《自然》上發(fā)表了一篇文章，發(fā)現(xiàn)了引力子特征的準(zhǔn)粒子。那么這個發(fā)現(xiàn)和引力子之間有什么關(guān)系嗎？

杜靈杰：首先我們的工作并沒有觀察到真正的大家一般意義上的引力子，但確實(shí)是在一個真實(shí)的系統(tǒng)中揭示了引力子物理的現(xiàn)象。我們這一發(fā)現(xiàn)和（發(fā)現(xiàn)）引力子比，打個比方吧，可能就像紙飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)的差距。引力子的研究是物理學(xué)的終極問題之一，如果發(fā)現(xiàn)引力子，那將是驗(yàn)證大統(tǒng)一理論的關(guān)鍵，這個影響將超乎想象。

主持人：好的，剛才杜老師說，這項(xiàng)研究距離真正地發(fā)現(xiàn)引力子可能還有特別長的路要走。那么楊教授，針對網(wǎng)上說，這項(xiàng)成果有可能成為預(yù)定諾獎的成果，還有發(fā)現(xiàn)了引力子的“投影”，您怎么看這個事情？

楊波：首先我可以講一下，就是杜老師的這個工作就是從難度來講或者重要性來講，肯定是毋庸置疑的。因?yàn)樗麄冊谶@個二維電子氣里面看到了這樣一個非常有意思的一種激發(fā)，在實(shí)驗(yàn)上非常困難。因?yàn)槲覀冎涝诙S電子氣里面實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)已經(jīng)是非常難的一個實(shí)驗(yàn)了，對超低溫、強(qiáng)磁場跟高質(zhì)量的樣品都有非常高的要求。然后杜老師他們的團(tuán)隊(duì)能夠在這么苛刻的條件下還能夠精確地去實(shí)現(xiàn)光子和電子液體的耦合和測量，特別是他們用的是一種旋轉(zhuǎn)偏振光去捕捉所謂引力子激發(fā)的信號，真的非常不容易。因?yàn)樵诜謹(jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)里面，引力子這個概念和理論大概十幾年前就提出來過了，因?yàn)樗哪芰亢秃芏嗥渌ぐl(fā)態(tài)的能量相當(dāng)，所以在很長一段時間內(nèi)覺得在實(shí)驗(yàn)上是非常難以看到的。所以杜老師他們這個工作在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上也好，或者對驗(yàn)證理論上來講，也是非常大的一個突破。

你剛才講的就關(guān)于媒體的這個說法，是不是可以預(yù)定諾獎什么的，我（覺得）這可能還是一個比較抓眼球的一種說法。因?yàn)樵谖覀冾I(lǐng)域的話，一些很嚴(yán)肅很重要的工作，其實(shí)我們不會一開始去貼一個標(biāo)簽說是什么級別，或者諾獎級別的一個工作。因?yàn)槲覀冎溃艘恍┓浅Ｉ贁?shù)的例子以外，大部分諾獎的工作都需要經(jīng)過十幾年甚至幾十年的沉淀，才能對它的重要性和影響性有一個比較全面的了解，甚至它實(shí)用性方面有一個全面的了解。所以目前來講，我們應(yīng)該還是要祝賀一下杜老師這個非常重要的工作，然后讓我們拭目以待吧。

主持人：杜老師，剛才您也提到了就說目前的研究成果可能距離真正地發(fā)現(xiàn)引力子還有特別長的路要走，那么您目前的這項(xiàng)研究有哪些意義和作用呢？

杜靈杰：我們在這個分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中觀察到的引力子模，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果是首次在一個真實(shí)系統(tǒng)中觀察到具有引力子特征的一個集體激發(fā)。那這項(xiàng)研究呢，它可以為在凝聚態(tài)系統(tǒng)中探索量子引力相關(guān)的物理開辟路徑。并且我們這個研究對于凝聚態(tài)物理來說，本身也很重要。它可以為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)全新的幾何解釋提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，開辟了在關(guān)聯(lián)物態(tài)量子幾何研究中的一個新方向。

主持人：剛才兩位老師分別介紹了這項(xiàng)成果的影響，還有意義。那么大家也可能比較好奇，就是杜老師，您在研究的過程中有什么比較難忘的事情可以和大家分享一下嗎？

杜靈杰：是這樣，我們當(dāng)時就是說花了將近三年時間，在南京大學(xué)這邊我們就自主設(shè)計(jì)，然后組裝了一臺根植于稀釋制冷技術(shù)的這種極低溫、強(qiáng)磁場的這么一臺共振非彈性偏振光散射系統(tǒng)。其實(shí)它也是一臺類似于拉曼系統(tǒng)（的實(shí)驗(yàn)平臺）。這個系統(tǒng)大概有兩層樓高，它可以把樣品（冷卻到）零下273.1攝氏度，捕捉到最低達(dá)到10G赫茲的微弱激發(fā)，并且判斷其自旋。我當(dāng)時想做這個實(shí)驗(yàn)的時候，國內(nèi)外其實(shí)并沒有滿足這種測量要求的設(shè)備。這個實(shí)驗(yàn)對設(shè)備的要求也非常高，所以我們當(dāng)時花了很長的時間去進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且解決這一系列的困難。

這個研究其實(shí)也是一波三折。因?yàn)槲覀兊臉悠穪碜試獾暮献髡?，但?dāng)初樣品進(jìn)出海關(guān)的時候差點(diǎn)被扔掉。當(dāng)時我正好在外地出差，急得我連夜回到了南京，立刻寫申請擔(dān)保，這才保住了我們的實(shí)驗(yàn)樣品，也才有了后面的一系列的實(shí)驗(yàn)。而在后面的實(shí)驗(yàn)過程中，其實(shí)我們也走了很多的彎路。由于思維定勢的一些限制，我們的研究對象是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子模，其根據(jù)理論最明顯的特征其實(shí)就是自旋為2。這也是很多時候媒體在說的事情，所以我們當(dāng)時也是這么認(rèn)為的。在前期的實(shí)驗(yàn)中主要關(guān)注的是自旋特征，但其實(shí)自旋2并不代表就一定是引力子模，引力子模的特征能量同樣重要。但這也是到后來我才意識到的。

我還記得是2023年7月份的時候，在西班牙參加一個國際會議的時候，有一位非常資深的專家問了我一個問題。他說你怎么知道自旋為2的激發(fā)就一定是引力子模呢？當(dāng)時一下子把我給問住了。就是我記得當(dāng)時那個星期我過得很痛苦，為了回答這個問題，因?yàn)槲易约阂蚕敫忝靼走@個事情。但有的時候思維定勢的改變是很困難的。后來過了一兩個月，最終我才想到我們可以通過特征能量的方式證明引力子模。這最終也讓論文順利發(fā)表。

主持人：這項(xiàng)成果目前已經(jīng)取得了一個階段性的突破。那么，接下來杜老師您有什么新的研究計(jì)劃嗎？

杜靈杰：我個人覺得凝聚態(tài)它是一個非常有意思的學(xué)科領(lǐng)域，它的研究范圍也很廣。比如近年來人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多新奇的粒子在凝聚態(tài)系統(tǒng)中都存在著具有類似物理性質(zhì)的對應(yīng)。這樣人們可以利用相對小巧的凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺來研究高深的粒子物理。那未來呢，我打算繼續(xù)圍繞分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的引力子模繼續(xù)（深入）展開（一些）系統(tǒng)的研究工作。

主持人：凝聚態(tài)物理研究在過去40多年可以說誕生了很多成果。就比如說諾獎，還有中國的國家自然科學(xué)獎。那么就是，為什么國內(nèi)還有國際上有這么多科學(xué)家都朝這個方向去研究呢？您能給我們分享一下嗎？

楊波：主要的原因可能還是因?yàn)槟蹜B(tài)物理其實(shí)是一個非常廣的一個物理的一個分支。因?yàn)樗鋵?shí)下面有很多分支。通俗來講，凝聚態(tài)物理是研究對各種物體跟各種液體的研究。我還特意查過一下，就是在以前，就是比如說五六十年前甚至更早的時候的各個分支，比如說像晶體學(xué)也好，冶金學(xué)也好，彈性力學(xué)、磁學(xué)到現(xiàn)在都被歸納到凝聚態(tài)物理里面。因?yàn)樗幸惶追浅＝y(tǒng)一的思想去研究這一類固體，甚至是固體跟液體這樣一些系統(tǒng)。

然后從另外一個方面來講，就是凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料學(xué)等其他的學(xué)科也有非常緊密的聯(lián)系。所以不管是中國也好，或者是國外很多其他國家來講，從事凝聚態(tài)物理學(xué)的科學(xué)家應(yīng)該確實(shí)是在所有物理學(xué)大分支里面是最多的。因?yàn)樗鋵?shí)包含的面也就是非常的廣。然后另外一個角度可能也就是，說凝聚態(tài)物理雖然它里面有非常抽象，也非常高深的理論，但它總的來說在很多方面也會比較接地氣吧。比如說一些最有意思的系統(tǒng)之一，比如說像超導(dǎo)體，可以說是非常抽象的一套理論，大家也花了很多的時間去理解超導(dǎo)到底是怎么一個機(jī)制。但超導(dǎo)體跟我們平常日常關(guān)系的相關(guān)度還算是比較高的。比如說我們知道在核磁共振里面超導(dǎo)體已經(jīng)得到了比較大的一個應(yīng)用。甚至在我們現(xiàn)在的手機(jī)里面超導(dǎo)體也是扮演著重要的角色，可以讓我們把一個很大的一個裝置縮小到一個很小的一個裝置。所以跟其他學(xué)科來比的話，可能它也是一個比較接地氣的一個學(xué)科一個分支吧。

主持人：好的，感謝兩位老師的精彩分享。我們也希望中國的科學(xué)家有更多的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。今天的節(jié)目就到這里，感謝大家的關(guān)注。關(guān)注科技日報(bào)，了解更多精彩內(nèi)容。我們下期再見。