倪海波

　　
　　
　　学生时代的杜灵杰曾是一个学霸，接连被保送,在南京大学（以下简称“南大”）完成了本科和硕士学业后，又在有着“南方哈佛”之称的美国莱斯大学获得了物理学博士学位，之后在哥伦比亚大学从事博士后研究。在美国9年，正当研究做得蒸蒸日上时，他毅然选择回国，回到了母校南京大学。
　　回国是杜灵杰的初心，从南大去美国读博时，他是抱着学成回来报效祖国的信念出去的。“虽然听起来这话有点空，但我确实是这么想的。”他说道。杜灵杰研究的是半导体，这是一个在国际上很前沿的方向，但中国相对来说在这一块还比较薄弱。尤其是看到中美芯片战争的生死搏杀，让远在海外的杜灵杰迫切希望自己能为祖国做点事。“这个时候怎么能留在美国呢？”杜灵杰说。寻着初心，学成回国的他，带着那份天然的使命感走上了与祖国共奋进的征途。
　　
基础物理蕴含多种可能
　　杜灵杰是江苏镇江人，虽然从南京到家乡坐高铁只需20分钟的车程，但2019年回国后，他回家的次数却很少，因为实验室建设的事情让他忙得脱不开身。在南大物理学院，新入职的教师前两年是不用教课的，因为学院知道实验室的建设需要投入很大的精力。实际上真是这样，全心建设实验室的杜灵杰深有体会：“方方面面的事情都得考虑到，为了不出任何差错，必须事事自己来。”
　　本科、硕士都在南大度过的杜灵杰，回国时第一选择就是母校，报效祖国、奉献母校在他是最自然而然的想法。而南大及物理学院无论在团队建设上还是资金上，都给予了年轻教师极大的支持，所以杜灵杰的工作进展得很迅速。从2019年回国，不到5个月，他的团队已组建起来，实验室的基础设施建设也已接近尾声，人员训练都已完成，仪器全部到位后，各项工作就可以走上正轨了。
　　虽然做的是半导体的实验研究，但不管是基础物理还是应用研究杜灵杰都非常关注。在讲自己的研究时，他说道：“不知道你们看没看过刘慈欣的《三体》，里面围绕着一个多体相互作用的物理问题，生动阐述了其对人类文明的深刻影响。我们的研究与之有点关系，是在干净的半导体结构里研究多体相互作用。我们做的研究涉及非常基础的物理问题，比如强关联物理、拓扑物理。但是同样的东西你既可以研究基础也可以研究应用，从应用角度来讲，例如，可以通过半导体人工晶格来改变材料的能带，实现有效的光电探测。”
　　“能带”是当代半导体研究中的一个核心理论，由此理论生发出的应用中有与大众贴近的手机和电脑的芯片等。除此还可以通过改造半导体的能带将应用拓展到更广阔的领域，例如，进行光电探测及拓扑量子计算等。先有基础研究才有应用发展，并随着对基础的深挖生发出更多可以深刻改变人民生活的应用。
　　回到杜灵杰的研究，半导体有一个独特的优势，就是它是可集成化的，从事基础物理研究这一点可能体现得不明显，但一旦基础物理研究能够走通，再往应用走就可以走得很远，就像手机芯片一样，一旦可以集成化就可以大规模工业化，所以虽然他做的是基础物理研究，但却是以应用为导向的，既有短期的计划，还会有更加长远的规划。他说：“其实现在我们就可以做许多应用，但这只是我们的短期目标，长远来看只有深挖基础才可以让实际应用更广泛、更深刻。”
　　
创造多个“国际首次”
　　杜灵杰的当前研究方向是以半导体电子器件为基础，通过电学和光学的综合测量手段在极低温下研究电子的新型凝聚态和新型拓扑态，以及其在量子计算中应用的研究。“在相关方面，比如半导体电子人工晶格，我们团队做的研究是国际上最前沿的，也是全世界在这个领域做得最好的之一。”杜灵杰自信地说。
　　杜灵杰获得的诸多创新成果屡屡获得了国际同行的认可。从2010年起，作为第一作者或通讯作者，他完成的很多高质量论文纷纷发表在物理学的国际著名期刊上。相关论文，有的被Science选为“EDITORS’CHOICE”（编辑选择）并专文报道，有的被美国强磁场国家实验室选为Science Highlights（科学亮点）并专文报道，有的被选入Journal Club for Condensed Matter physics（凝聚物质物理期刊俱乐部）并专文报道，有的被Nature Nanotechnology、Laser Focus World、IEEE Spectrum和NASA Tech Briefs等著名杂志专文评论报道，并被Phys.org、APS“Viewpoint”、EurekAlert等众多国际知名科学媒体报道。
　　杜灵杰的研究，曾实现了很多个国际首次，例如，实验上首次观察到量子自旋霍尔效应的精确量子化平台，首次观察到破缺时间反演对称量子自旋霍尔效应，首次观察到两维BCS激子凝聚态和拓扑激子绝缘态，首次实现了半导体人工石墨烯的量子模拟。这些发现，为基础物理及相关应用的发展带来的深远影响不可小觑。
　　他首次证实量子自旋霍尔效应的精确量子化平台现象的工作，被美籍华裔物理学家张首晟教授等知名学者在众多著名国际会议上广泛报道。精确量子化平台是两维拓扑现象最重要的证据，整数和分数量子霍尔效应都是以精确化整数和分数量子化平台的输运观测做为决定性证据。张首晟教授等在2006年提出在半导体中可存在量子自旋霍尔效应，虽然拓扑边缘态在碲化汞量子阱中被实验捕捉，但其精确量子化平台却一直没有被观察到。他在读博期间，在杜瑞瑞教授的指导下，进行了相关的实验研究工作。在掺硅的铟砷镓碲半导体量子阱中，他测量到符合Landauer-Büttiker公式的量子化平台电导，为两维拓扑现象找到了证据。
　　时间反演对称可以支持量子自旋霍尔态，这已经被证实。那不依赖时间反演对称性的量子自旋霍尔效应是否存在？这个问题在实验上一直没有回答。正如很多意外的物理发现一样，利用观察到的精确量子化平台现象，杜灵杰在铟砷镓碲双层量子阱中意外地观测到拓扑边缘态可以稳定存在于强磁场下(破坏时间反演对称性)，提供了一种新型拓扑现象——破缺时间反演对称量子自旋霍尔效应存在的证据。
　　因为铟砷镓碲量子阱同时存在着电子和空穴，所以新型的量子自旋霍尔态可能来自BCS激子凝聚这一新奇物理现象，为揭开这一谜题，杜灵杰又开展了对激子凝聚的研究。BCS激子凝聚首先是诺贝尔奖获得者Mott教授在20世纪60年代提出的,在半金属体系中电子-空穴配对而形成激子，这种激子行为类似超导体中的库珀对，可以看成激子的超导态。但迄今为止，实验上观测激子凝聚是一个尚未解决的关键科学问题。他在铟砷镓碲量子阱中进行了一系列的实验测量，观测到激子凝聚的实验现象，通过与光学及理论团队成员的合作，首次提供了两维激子凝聚存在的证据。
　　针对激子凝聚，杜灵杰之后又开展了深入研究并有了新的发现。他观测到拓扑边缘态环绕着激子绝缘态，证明该激子态具有拓扑性质，由此解释了破缺时间反演对称量子自旋霍尔效应。要知道，此前虽然拓扑激子绝缘态被理论预测过，但从未在实验上被观测到，这一工作实现了首次实验观测拓扑激子绝缘态的新突破。论文审稿人曾这样评价：拓扑激子绝缘态的实验发现有着极大的物理意义，因为不同于单粒子图像下时间反演对称拓扑绝缘体，拓扑激子凝聚态是由多体相互作用引起的新型拓扑态，在此之前的两维拓扑系统里有且仅有分数量子霍尔效应是由多体相互作用引发的拓扑现象。拓扑激子绝缘态由于其存在的量子自旋霍尔效应可用于制备拓扑量子计算的核心芯片。
　　在基础物理领域取得创新成果的同时，杜灵杰并未忽视应用的相关研究。当前的拓扑系统主要依托于天然材料，他意识到半导体电子人工晶格可以提供一个将拓扑物理和应用结合的新思路。
　　加州大学伯克利分校Louie教授等人在理论上提出利用两维电子气的人工晶格来实现狄拉克费米子的设想，但实验上一直没有实现。杜灵杰在哥伦比亚大学深造期间，与Pinczuk教授（获得过凝聚态物理最高奖Oliver E. Buckley奖）合作，在砷化镓半导体量子阱表面成功制备了蜂窝量子点人工晶格，并观察到线性的狄拉克能带，实验上首次实现了半导体人工石墨烯的量子模拟。后来他又发展了一套新的纳米制造工艺，在砷化镓量子阱上成功制备出具有最小晶格周期（30nm）的三角反量子点人工晶格，利用其拓扑结构实现了和原生量子阱相同的超高迁移率，在人工石墨烯结构中首次观察到电子相互作用效应，并观察到太赫兹自旋激子效应。这些实验研究奠定了在半导体人工晶格一个新的平台上实现对不同拓扑结构和新型电子态的量子模拟的基础。利用这个平台，可以把这些新型的器件结构集成在一块半导体芯片上。
　　杜灵杰说，现代半导体工业的基础是晶格和能带，能带的调控对整个半导体工业意义重大。之前大部分材料的晶格都来自自然，现在我们可以通过半导体电子人工晶格创造出各种各样的自然界中存在或者不存在的晶格，达到能带调控的目的，按照我们的需求实现特定的电子性质。想象一下，如果在可集成的半导体人工晶格上实现了超导（已经有相关的理论预测），那么就像创造了一双上帝之手，这双手将在半导体工业中掀起一场翻天覆地的“革命”。
　　
爱科研才能做好科研
　　“在物理研究领域，很多重要的工作都是无意中被发现的，我做的有些工作也是这样。”杜灵杰说，“但这些看似无意的收获，却都来源于对科研一直葆有的热情和兴趣。选择物理是因为兴趣，选择现在的研究方向是因为兴趣。做科研最重要的是兴趣，它是可以支持你一直走下去的源动力”。
　　2010年，杜灵杰做了他人生中的第一个工作——建立了量子噪音环境下的Landau-Zener-Stückelberg（LZS）干涉理论，这个工作就是发生于偶然但却植根于兴趣。爱因斯坦的AB系数理论是激光理论的基础，在传统的认识里，原子和环境噪音的耦合会带来耗散，所以根据爱因斯坦AB系数理论，实现激光所依赖的粒子数反转需要三能级。2010年刚刚踏上科研道路的杜灵杰，对他的研究充满了热情，经常学习到半夜，有一天凌晨3点还在看文献的他，突然在脑子里冒出一个想法：“爱因斯坦那个理论是20世纪20年代提出来的，那时量子理论还不成熟，如果是在量子环境下去考虑同样的问题，可能爱因斯坦的理论就需要做出改变了。”
　　想法一出，杜灵杰很快着手开始相关的理论研究，经推导发现通过LZS干涉量子噪音可在两能级中实现粒子数反转。这一创新成果证明了爱因斯坦AB系数理论不适用于量子噪音环境，为基于两能级人工系统的新型激光奠定了理论基础。文章在《物理评论》发表后，他的硕士导师于扬教授对他说：“这个工作是可以写进教科书中去的！”想起此项研究，他感叹：“那是我第一个工作，它不仅给了我非常愉快的正反馈，而且也让我明白了做一件事需要兴趣来支撑。”
　　拓扑激子绝缘态的发现也是一样。杜灵杰在进行精确量子化平台研究时，所得结果无法被理论解释。这个问题困扰了他两三年，那段时间他很煎熬，像在黑夜中前行，但他没有轻言放弃，在他的博士导师杜瑞瑞教授的鼓励和帮助下，最终发现了问题的症结，并意外发现了“拓扑激子绝缘态”这一新物态。正是兴趣支撑他走过泥泞和黑暗，并为他带来了峰回路转的惊喜体验。
　　杜灵杰说，人不能关起门来做事情，需要与人去交流，通过交流才能获得新想法，实现互补。回国后忙着建设实验室的杜灵杰虽然还没来得及申请自己的项目，但已经迈开了跟别人合作的步伐，与南京大学和北京大学等团队都有合作项目正在进行。
　　过去他的恩师们手把手将他带上了科研的道路，从最基本的研究做起，从什么都不懂到小有成绩。现在杜灵杰也有了自己的学生，他也要和他的老师们一样手把手带着自己的学生走入科研的殿堂，然后放手让他们在这个殿堂中自由地求索未知。
　　杜灵杰喜欢做一些新颖的工作，也鼓励学生们不要害怕失败，要勇于创新，勇于向难题发出挑战。“以前我的老师给我课题的时候曾说过，一个好的课题不是说最终要有多好的结果，而是在每一个阶段都会有一些成果出来，像爬楼梯一层一层去接近目标，在每一层都有收获。”所以他会选择一些精心设计过的有挑战的题目让学生去做，让学生在最终成果出来之前，可以取得一些阶段性的结果。用他的话说就是：“如果还没吃到西瓜，至少可以先有个苹果。”
　　除此，他也鼓励学生做一些多学科融合的尝试，尽量拓宽自己的视野。杜灵杰本身的研究经历就非常丰富，在国内读书时，他做的是理论研究，在美国读博士做的是实验的电学研究，博士后到纽约时又从事的是实验的光学研究。包括的方向很广，从理论到实验，从电学到光学。好多人问他：“电学做得好好的，怎么去做光学了？”他回答：“世界很大，想趁年轻尽量让自己的视野更开阔，当足够开阔后，以后的路会越走越宽。”
　　从电子时代到信息时代，只用了半个世纪，那么下一个会是什么时代？有人说是量子时代。也就是说，一旦谁先拥有了量子算力，谁就有可能成为新世界的玩家。
　　2019年9月20日，多家英媒披露，科技巨头谷歌一份内部研究报告显示，其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内完成传统计算机需1万年时间处理的问题，并声称是全球首次实现“量子霸权”。
　　虽然实现量子霸权离实际量子计算机的大规模应用尚有很大距离，但面对来自西方发达国家的压力，杜灵杰心中的那份紧迫感还是不由得加剧了。