文｜蔔金婷 田瑞穎
2016年，剛本科畢業不久的杜立就收到了自己的博士生導師、諾貝爾物理學獎得主Wolfgang Ketterle拋來的「燙手山芋」——這位美國麻省理工學院（MIT）教授讓他在MIT設計搭建一個全新的量子瓦斯實驗室，進行超冷原子鏑（Dy）的實驗。
今年5月，依托這個新實驗室，他們在【科學】上發表了一項重要成果，展示了一種新的超分辨率技術，能在僅僅50奈米的距離下操控兩層溫度接近絕對零度的原子瓦斯。在50奈米距離處，偶極交互作用的強度是500奈米處的1000倍，為探索一系列新的量子多體現象奠定了基礎。
如今已在MIT做博士後的杜立是該研究的第一作者兼通訊作者。為了從「0」搭建好這個全新的實驗室、探索出一系列創新成果，「90後」的他已經堅持了8年，目前正在搭建MIT第二個鏑原子量子瓦斯實驗室。
杜立
杜立告訴【中國科學報】，作為自己在超冷原子物理領域的科研領路人，Ketterle的多年栽培讓他受益匪淺，「Ketterle不斷以更高的要求讓我們思考各種物理現象。我們的實驗室沒有小導師，所有學生都是Ketterle親內建」。
50奈米尺度下的「量子樂高」
2016年8月，從南京大學本科畢業的杜立前往MIT攻讀博士學位，在校園裏，他第一次見到了導師——BEC先驅、2001年諾貝爾物理學獎得主Ketterle。兩個人的第一次見面交流，就催生出一個新的科研想法。
「你來設計搭建鏑原子的量子瓦斯實驗室吧。」Kettlerle對杜立說。
杜立知道，從「0」搭建一個全新的實驗室對科研人員而言是非常珍貴的機會，對一個博士新生來說尤為難得，便毫不猶豫地答應了。但彼時的他還沒有意識到，這個承諾意味著未來8年甚至更長的科研路上將要面對無數的困難和機遇。
在博士畢業典禮上，杜立（右）與導師Wolfgang Ketterle教授的合影
杜立介紹，之所以研究鏑原子，是因為鏑屬於鑭系金屬，具有高磁性、高自旋等特征，以及所有元素中最大的永久磁矩——即便在較遠的距離下，兩個鏑原子仍能「感受到彼此」。正是鏑原子的這種長程交互作用，使得許多新的量子系統的組建成為了可能。
為了將鏑原子像「量子樂高」一樣一塊塊自下而上搭建成新的量子系統，科學家需要借助雷射冷卻技術將中性原子的溫度降低到1微克耳文至1納克耳文，這也是人類能達到的最低溫度。在搭建如此龐大的實驗系統過程中，光是磁光阱俘獲這一步，就用了兩個月的時間。
雷射冷卻技術的第一步是將鏑原子加熱到1000多攝氏度，再進行塞曼減速與磁光阱俘獲，俘獲後鏑原子溫度會降到10微克耳文，最後進一步蒸發冷卻，就可以達到BEC的相變溫度。
但真正的實驗總是充滿無數變量，萬事俱備的他們就是做不出想要的結果。經過不斷的嘗試，有一天，杜立在晚飯後照常回到實驗室工作，突然看到真空腔中蹦出來一個紅點！再次確認後，他激動地喊道：「出現了！」
但這只是無數困難中的冰山一角，對杜立而言，最大的「敵人」其實是自己。他坦言，面對諸多難題，自己也曾想過放棄，好在每一次自己都堅持了下來。
杜立在實驗室
2020年，實驗室終於可以穩定地實作鏑原子的玻色-愛因史坦凝聚態（BEC）。此時的杜立在探索鏑原子間長程偶極交互作用帶來的多體效應的過程中，產生了一個瘋狂的想法：能否將原子間距縮短至原來的1/100，擠壓到10奈米，甚至5奈米？
要知道，利用傳統的雷射操控方法，原子間距只能被擠壓到500奈米左右。這一想法，無疑是一個量級的突破。
初步演算後，杜立隱隱覺得可行，馬上找到Ketterle討論。經過數次線上會議，他們決定一試，並於2022年正式投入實驗。此前實驗室6年的工作鋪墊，使得這一實驗的進展格外順利。
借助鏑原子的復雜自旋提供的額外自由度，他們提出了一種新方法：雙頻率-雙偏振超分辨率勢阱。這種方法的妙處在於，透過使用兩束頻率不同、偏振方向相反的圓偏振光，實作對自旋相反的鏑原子的獨立控制。
杜立解釋，雖然每一束雷射的繞射極限都是幾百奈米，但一種自旋基態的鏑原子只會「感受到」一束雷射，不受另一束雷射的影響。
「基於這個原理上的突破，我們將束縛在兩束雷射繞射光斑中心的兩個或兩層原子靠近到了小於50奈米的距離，這相當於人類頭發絲直徑的1/2000。」杜立說，50奈米間隔下的磁性「樂高塊」間的長程交互作用，是500奈米間隔下的1000倍。
這項發表在【科學】上的研究開啟了探索更多新物質的大門，並為未來量子模擬、量子計算等領域的發展帶來了新的啟示。
沒有「小導師」的實驗室
進入MIT之前，杜立對超冷原子領域並不太了解，而他選擇這個方向的理由很簡單：能跟著諾獎得主學習最前沿的物理。
但是，這也讓杜立在進入Ketterle的實驗室之初吃了不少苦頭。一方面，對領域內許多知識的不了解讓他感到非常吃力；另一方面，即使是自己相對了解的問題，Ketterle也總能從不同角度發散，「我一開始很難跟上他的節奏，有時感到很痛苦」。
杜立沒有放棄，反而產生了一股要弄懂所有問題的沖勁。每次開完會，他都會把關鍵詞寫在筆記本上，再將討論的內容進行復盤，直到完全理解。慢慢地，他不僅能跟上Ketterle的思路，還可以自如地與其交流討論。
「Ketterle的實驗室裏沒有所謂的‘小導師’，所有的學生都由他親自指導。」杜立說，Ketterle有5個實驗室，每個實驗室每周都會單獨開3個小時左右的組會，周五還有持續2小時的大組會。
在組會上，Ketterle很少讓學生機械式地匯報工作，而是和大家一起從第一性原理出發，從各種不同角度對一個個物理問題進行深入解釋、推翻，再解釋、再推翻，透過這個過程加深學生對物理問題的理解，並科學地分析每個理論的局限性。
「簡直是3個小時的頭腦風暴，但大家並不覺得累，反而覺得特別有意思。」杜立告訴【中國科學報】，組會上大家經常爭論得面紅耳赤，Ketterle也很鼓勵學生建立批判思維，對與自己不同的意見，給予充分尊重。
在杜立博士畢業典禮上實驗室全體成員的合影
但在具體實驗中，Ketterle卻極其嚴謹，經常會對大家認為板上釘釘的現象提出質疑。在這種質疑和反復推敲下，學生們總是會發現新問題，也常常會「白高興一場」。
在杜立眼中，Ketterle還是個「科研狂」，工作到淩晨5點是家常便飯。有一天，大家約好上午9點開組會，但Ketterle遲遲沒有出現。正當所有人猜測他難得遲到一次時，辦公室的門緩緩開啟了，原來Ketterle為了寫一份科研材料在辦公室待了一整晚。
科研之外，Ketterle還是一位「準專業」馬拉松運動員。2014年，57歲的Ketterle在波士頓馬拉松中取得了個人最好成績：2小時44分。如今，67歲的Ketterle依舊保持著運動的習慣，經常騎幾個小時的自由車往返學校。
匠人精神做科普
除了做科研，杜立還是擁有數萬粉絲的科普博主。
2020年，受疫情影響，居家隔離的杜立在科研之余萌生了做科普視訊的想法。從沒有接觸過這一行的他開始搗鼓起了剪輯軟體、三腳架、攝影……視訊素材就來源於他自己在筆記本上記錄下來的有趣的物理問題。
「如何接近絕對零度」「量子力學的不確定原理」……專業的解說詞、精美的畫面以及生動的解讀，為他贏得了大量觀眾的點贊。對於評論區的上百條留言，他也會認真答疑解惑。
雖然每個視訊時間並不長，但制作過程卻往往要花上一個月的時間。「我覺得做科普視訊也要有匠人精神。」杜立說。
在陌生的領域摸索，讓他有了意想不到的收獲。
在杜立的「粉絲」中，有一些特殊的「小粉絲」。他們大多是來自二三線城市，卻對物理有著很高熱情的中學生，有的是私信物理問題，有的是講述對物理世界天馬行空的想法，杜立都非常熱情地與他們互動。
杜立知道，不是所有地方的學生都能接受最好的物理教育和培訓。來自江蘇常熟一個普通縣城的他，也曾對物理有著熾熱的理想，但高中物理競賽失利給了他不小的打擊，也讓他在選擇大學專業時與物理無緣。幸運的是，透過南京大學的物理拔尖計劃考試，杜立順利轉到了物理專業。
「很多人可能在小時候對物理感興趣，但是長大後卻沒有辦法繼續做這件事情，這會很遺憾。」杜立說，遇到這樣的學生，自己都會盡力去幫助、引導他們，「如果能給他們一些幫助，我會覺得很有意義。」
在科普這條路上，杜立還結識了一些誌同道合的好朋友。他們是一線的科研工作者，也同樣是在科普戰線上的奮鬥者。
（圖片由受訪者提供）
杜立抖音號：Schrodingers_Li
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相關論文資訊：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp023
