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師從諾獎得主,實驗室「玩樂高」一作兼通訊發Science創紀錄!

2024-07-24科學

師從諾獎得主是什麽體驗?既做科研、又做博主又是什麽體驗?

01
在實驗室玩「樂高」

發表了Science是什麽體驗?

杜立,江蘇常熟籍,2016年南京大學物理系本科畢業後,順利升讀MIT攻讀博士學位。剛踏入MIT實驗室,便接手了一項備受矚目的任務——博士生導師、諾貝爾物理學獎得主Wolfgang Ketterle教授交付他設計並建立一個全新的量子氣體實驗室,旨在開展超冷原子鏑(Dy)的實驗研究。

今年5月,借助新實驗室的設施,該團隊在【Science】雜誌上釋出了一項重要成果,展示了一種嶄新的超分辨率技術。他們展示了在50納米間距下,磁性「樂高塊」之間的長程相互作用,相比於500納米間隔,該相互作用強度增加了1000倍。這一發現開啟了探索新物質的大門,並為未來的量子模擬、量子計算等領域的發展帶來了新的啟示。據悉,杜立的研究團隊利用鏑原子的長程相互作用特性,借助雙頻率-雙偏振超分辨率勢阱技術,成功實作了原子間距的顯著縮短,
對於量子模擬、量子計算等領域的進展具有重要意義。

這項研究不僅展示了杜立在超冷原子物理領域的科研成就, 還彰顯了他在MIT實驗室八年來 持之以恒的努力和堅持。

02

沒有「小導師」的實驗室

「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。

Wolfgang Ketterle(1957年生),美國麻省理工學院物理系教授/超冷原子中心主任,專註於研究冷原子捕捉以使其接近絕對零度,因「在堿原子稀氣體中實作了 玻色-愛因斯坦凝聚 並對凝聚物的性質進行了早期基礎研究」與Eric A. Cornell、Carl E. Wieman共同獲頒2001年諾貝爾物理學獎。


這項研究介紹了一種沒有基本限制的新方法,借鑒了光學超分辨率顯微鏡的關鍵概念: 透過超越繞射極限的精度確定受繞射限制的艾裏圓盤的中心位置。 在這一方法中,利用深光學晶格或強光鑷束,可以將原子定位到10nm的尺度,受限制於可用功率和自發光散射加熱。


在傳統的超分辨率顯微鏡實驗中,分子是按順序成像的,而捕獲原子需要同時約束在 亞波長尺度 上。一種可能的解決方案是使用兩種不同顏色的光來捕獲兩種不同的原子,然而在量子科學中常常需要相同的原子。

因此,研究人員采用了一種策略, 利用Dy的兩種相反自旋態 不同頻率 的兩種不同偏振光——雙偏振和雙頻率超分辨率方案。與自旋1/2和堿原子不同,基態Dy具有強大的張量極化率,導致產生有害的雙光子拉曼耦合。

然而,這種耦合被兩個光勢之間的頻率偏移所抑制。張量耦合的殘余對角部份使該研究方案更為穩健,因為它為162Dy創造了一個孤立的雙態 希爾伯特空間 ,mJ=±8的自旋態與其他15個自旋態之間存在顯著能隙。

03

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。

杜立從小就對物理學展現出濃厚的興趣,而他的家庭也一直在培養他的科學素養。 值得他銘記的是,在初中時期,他透過網購實驗儀器,獨立完成了一個無線電發射器的自制實驗, 這一經歷對他的科學探索之路產生了重要的影響。

杜立的科研之旅始於2016年,當時作為一名博士新生,他積極應對設計搭建鏑原子量子氣體實驗室的挑戰。經過多年的不懈努力,他所領導的團隊在2020年成功實作了鏑原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),並在此基礎上取得了本次研究的重要成果。這一裏程碑性的突破不僅標誌著團隊在超冷原子物理領域的科研實力, 也為未來的 量子科學研究開辟了新的可能性。

除了在科研領域取得的成就, 杜立還是一名科學普及博主, 在抖音平台上擁有賬號 「Schrodingers_Li」。

杜立似乎找到了共通之處——都需要「台上一分鐘,台下十年功」的艱苦付出。盡管每個影片的時長並不長,但制作過程卻常常需要耗費一個月的時間,因此他認為「做科普影片也必須擁有匠人精神」。 透過在陌生領域的探索, 杜立獲得了意想不到的收獲。

在他的粉絲中,有一群特殊的「小粉絲」,他們大多來自二三線城市,卻對物理充滿熱情,包括一些中學生。他們私信提出物理問題,或分享對物理世界的奇思妙想,杜立都會積極與他們互動。

他深知,並非所有地方的學生都能接受到最優質的物理教育和訓練。作為一個來自普通縣城的他,曾險些錯過學習物理專業的機會,因而對物理有著深厚的熱情和理想。 正因為自己曾經歷過困境,他願意為後來者多撐把傘,助他們少走彎路。

杜立的求學和科研之路,仿佛驗證了那句「當你真心渴望某樣東西時,整個宇宙都會來幫忙」的道理。

就像傳說中的「牧羊少年」一樣,他必定還會發現更多屬於他的寶藏, 繼續探索、努力前行,開啟更多令人驚喜的未來。