文 ｜ 蔔金婷
2021年的一整年，劉俁都在經歷失敗。
這是劉俁在美國國家標準暨技術研究院（NIST）做博士後的第一年，他轉換了研究方向。彼時，憑借「初生牛犢不怕虎」的幹勁，劉俁一入門就接手了一個大難題：利用分子研究精密測量以及量子資訊。
在這一過程中，團隊成員需要實作對分子量子態的高精度控制。然而，分子始終無法保持在選定狀態，這成了他們研究路上的「攔路虎」。從年初到年末，劉俁嘗試了幾種最有希望的方法來增強分子的可控性，結果紛紛失敗。到最後，只剩下一種復雜且難度極高的方法。「如果再失敗，就需要尋找新的研究課題了。」劉俁苦笑道。
沒承想，最後一種誰也不看好的方法，竟然成功了！
近日，這一成果終於發表在 Science 雜誌上。研究團隊開發了一種高精度的量子態控制技術，可以在熱環境中實作對分子離子量子態的精確操控。「90」後劉俁是該研究的第一作者兼通訊作者，如今已在美國馬里蘭大學擔任助理教授。
劉俁
讓分子「冷靜」下來
在博士後期間，劉俁的研究方向是分子離子的精密測量。用光學手段操縱分子以達到理想狀態，是他主要的研究工作之一。
為什麽選擇研究分子？劉俁解釋，相對於原子，分子有更復雜的電子運動，還具有原子核的相對振動以及分子的轉動，這意味著研究分子能夠帶來更多的套用前景。
一開始，劉俁的目標是利用分子研究精密測量以及量子資訊。但在這一過程中，研究團隊發現，熱放射線的光子會讓分子的量子態發生躍遷，導致分子無法持續保持在選定狀態。
這一技術難題讓他們的研究一度陷入瓶頸。憑借多年的研究經驗，劉俁深知讓分子發生躍遷的「罪魁禍首」是熱放射線。
那麽，有什麽方法可以消除環境對分子狀態的影響呢？2021年，劉俁一直在思考這一頗具難度的問題。
在NIST期間，劉俁加入了知名的Ion Storage Group（離子儲存課題組）。量子邏輯光譜學（quantum-logic spectroscopy，QLS）技術是NIST研究的重點之一，這項技術利用被雷射冷卻的原子離子，以及離子阱內共同儲存的分子間的強耦合，來實作分子的平移運動冷卻和量子態的非破壞性讀取。
探測分子離子量子態的手段的示意圖
於是，劉俁利用QLS技術很好地捕捉到分子的量子態，並成功地在室溫超高真空環境中跟蹤和控制了單個 CaH+ 分子離子的狀態演變。
在此基礎上，研究團隊透過即時觀察分子的量子態，判斷分子的狀態是否發生了躍遷。「如果發現分子發生了躍遷，我們就立馬用微波驅動的方式讓分子回到原來的狀態，這樣就可以逆轉這些‘跳躍’。」劉俁告訴【中國科學報】。
從真空倉之外看離子被捕獲的區域
這項研究使分子停留在選定狀態的時間提高了20倍，不僅在理論上具有創新性，而且在實驗技術上也取得了重大進展，為量子資訊處理以及分子動力探測提供了新的途徑。
2次轉換方向
成功並非一蹴而就。
這是劉俁做博士後時期接手的第一個計畫。在此之前，劉俁嘗試了最有希望的2種方法，結果均以失敗告終。好在他的心態十分平胡，「權當練手了」。
實際上，從本科到博士後的3個階段，劉俁轉換了2次方向。
2010年，劉俁來到美國內華達大學讀本科。當時，他就讀的專業是凝聚態物理。在劉俁眼裏，雖然能做出一些有趣的東西，但由於實驗的可控性太差，很多時候他並不理解為什麽會產生各種奇特的現象，這導致他對凝聚態物理一直提不起興趣。
於是，劉俁想探索更多的可能性。
大三時，劉俁開始和校內的其他導師做不同領域的實驗。讓他受益匪淺的是和David Shelton教授做的原子分子和光學物理領域（簡稱原分光）的物理實驗。在Shelton「蘇格拉底式」教學的影響下，劉俁成長迅速。「Shelton的教學方式很獨特。如果你問他一個問題，他也會反問你一個問題，你回答後，他會再問你一個問題，透過這種方式讓我找答案。」劉俁說。
從那時起，劉俁迷上了原分光領域，「一方面，原分光領域的實驗可控性很強，我能知道這一步為什麽會發生；另一方面，用物理的方式研究化學在未來的很長時間內都很‘吃香’」。
於是，本科畢業後，劉俁來到哈佛大學攻讀原分光領域的博士，當時他的研究方向是分子間在超冷環境下的化學反應。
「但我不知道自己更喜歡什麽樣的研究方向，我還是想要再嘗試一下。」2020年底，劉俁做博士後期間再一次轉換研究方向：從研究超冷化學轉換為分子離子的精密測量。
劉俁在實驗室工作 攝影：Mark Sherwood
盡管每次轉換賽道後，劉俁都需要從基礎的實驗開始學起，但他絲毫不感到疲倦。
「活到老，學到老」
2023年，劉俁博士後出站後來到馬里蘭大學擔任助理教授。
在這裏，劉俁的教學內容是給化學專業的學生上量子物理的課。作為新手老師，劉俁一開始非常苦惱：盡管在課堂上講得十分細致和投入，但考試時學生們的成績都「慘不忍睹」。究其原因，他發現很多學生數學不好導致算不出來物理題的答案。
因此，劉俁開始在物理課堂上穿插更多的數學知識，以此打造學生們的數學和物理基礎。
「物理老師在化學課堂上給學生上數學課」，這個乍看有點奇怪的組合竟收獲了意想不到的效果。談及學生們的成長，劉俁有滿滿的自豪感：「半個學期後，學生們的平均分從四五十分漲到了七八十分。」
除了給本科生授課外，劉俁還指導3名和他同樣是「90後」的博士生。
劉俁
由於學生們的經驗少，往往一個簡單的實驗憋了好幾天還沒有頭緒。劉俁看在眼裏，急在心裏。起初，他隔三差五就去實驗室幫學生們做實驗；後來，劉俁發現自己介入越多，學生們成長就越慢，下次遇到同樣的問題還是不會。於是，他開始給自己做心理建設：「一定要讓他們自己摸爬滾打，這樣才會有所收獲。」
慢慢地，劉俁開始效仿Shelton的「蘇格拉底式」教學。當學生們再次遇到問題時，他鼓勵學生們自己解決，像Shelton一樣循循善誘，直到他們可以獨立解決問題。「看到學生們從對一個方法毫無概念到可以利用這個方法熟練地做實驗，我非常有成就感。」劉俁坦言。
晉升終身教授的道路往往是艱辛的，但劉俁有一套獨特的方式緩解壓力——不斷學習。
談及他的學習態度，劉俁表示深受父親的影響。其實，早在2008年，劉俁就跟隨父親劉四平一同來到美國讀高中。彼時，49歲的劉四平是武漢大學的外語系教授，他的工作是教大學英語，這意味著做研究的機會比較少。
為了能更好地研究外語教學技術，劉四平來到內華達大學攻讀教育學博士，主要研究第二語言的學生如何更好地學習外語。值得一提的是，這幾年的博士經歷為劉四平之後返回武漢大學開辟新的第二語言教學課程奠定了基礎，他的語言教學研究成果也在多個國際期刊上發表。
父親劉四平博士畢業時劉俁和他的合影
「活到老，學到老」，從學習如何做實驗到學習如何成為一名好老師，劉俁的學習之路從未停止。「新的環境總會給人造成一定的危機感，但是如果你有一顆好學的心，再難的事都能解決。」劉俁告訴【中國科學報】。
連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1001
