科创会客厅丨南科大许志芳:登上《自然》的突破性成果,竟然从“什么都不懂”开始

读创/深圳商报首席记者 吴吉

“最开始的时候,我什么都不懂,连实验室里需要配备些什么都一窍不通”……就是这位一连说了好几次“什么都不懂”的科技工作者,却实现了量子物理研究领域的新突破。他就是南方科技大学物理系副教授、量子科学与工程研究院创始研究员许志芳。

近日,许志芳领导的团队与南科大量子科学与工程研究院和美国匹兹堡大学教授刘文胜以及德国汉堡大学教授Andreas Hemmerich合作,在实验室中首次观测到类六角氮化硼光晶格上由相互作用诱导的具有拓扑准粒子激发的全局原子手性超流。研究成果今年8月发表在国际顶尖学术期刊《自然》上。

灵光一现,困扰许久的难题迎刃而解

许志芳课题组此次取得的重要进展,是首次通过实验观测到了全局原子手性超流,其中两个很重要的特征就是有非零的全局角动量和拓扑准粒子激发。据许志芳介绍,这种拓扑的超流或者超导体是凝聚态物理中的一个前沿领域。“以前的实验实现的是总角动量为零的手性超流,这种超流不具有拓扑的准粒子激发。在科学界,寻找一种具有内禀拓扑超导电性或超流性的天然或人造材料是一个重要的研究课题。而我最近一些年都在研究具有拓扑准粒子激发的玻色超流,包括理论探索和实验的实现方案。最终,我们目前的实验就实现了具有拓扑准粒子激发的玻色p+ip超流。”这个最新进展填补了量子物理学界的一项空白,为今后的物理研究提供了“从理论走向实验”的更多可能。

许志芳研究的领域是“冷原子物理”,简言之就是通过激光制冷技术把原子的运动速度降低。在低温情况下,原子的波动性很明显,可以有利于科学家对原子展开更深入的研究。而此次登上《自然》的研究成果,最大的突破也是通过制冷在实验上首次观测到由相互作用诱导的具有拓扑准粒子激发的全局原子手性超流。“通过前期的理论计算,我们发现,想要实现第二条能带原子再凝聚的过程非常困难,需要想办法将BEC原子的温度冷却到更低。也正是因为这个难点,让整个科学界都裹足不前。如何将光晶格中原子的热量带走?一开始,我们在这个问题上也尝试了很多方法,但效果并不是很好。”许志芳说,为了打破这个瓶颈,整个科学界都在绞尽脑汁。

而帮助许志芳课题组捅破窗户纸的,是偶然的灵光一现。他说:“有一天,课题组的王小琼博士(本论文第一作者)在一次实验间隙小憩醒来,突然想到一个非常巧妙且不难实现的方法——把光阱阱深降一降。这一巧妙操作之后,我们就马上观测到高轨道原子的寿命变长了,温度更低。这是非常重要的一步,有了这一步,我们之后很快就观测到了此次论文中提到的相互作用诱导的时间反演性破缺形成的全局手性超流体的形成过程,这标志着我们的实验取得了预期的结果。”

许志芳老师

前沿研究,居然从“什么都不懂”开始

许志芳团队的成功,看上去是偶然间被灵感的“苹果”砸中了头,可实际上,背后是一串长长的足迹……

这项研究持续了多长时间?这个简单的问题,却把许志芳难住了。该如何界定研究的时间呢?“这个研究是在2019年才正式启动,但其实之前,我在做理论研究时就对这个领域有着长久的思考和积累”,许志芳说,“遗憾的是,当时国内对我所做理论感兴趣的实验小组几乎没有”。只有理论,没有实验,自己的想法该如何被印证?2017年加盟南科大后,许志芳萌生了一个大胆的想法——我要自己转型做实验!

在此前漫长的学习和工作经历中,许志芳都是“理论派”,实验的经验很少。“我以前是做理论的,掌握的物理知识都是来自于书本上或者文献上的。理解前人的工作更多的是靠逻辑推理,靠想象。但是,我希望通过实验来验证自己的理论,我希望能把自己的研究付诸于现实。2017年底,我萌生了做实验的念头,但是又不敢明说, 因为我自己没做过实验,怕别人不相信我。”

许志芳的顾虑是可以理解的。从理论研究转做实验研究,看似是一次潇洒的转身,其实谈何容易?用许志芳自己的话说,“我那时候对实验一窍不通,连实验室怎么装修、采购哪些仪器和真空系统的设计都毫无头绪。”

但就是在这样“零基础”的条件下,许志芳的提议不仅没有被泼冷水,反而得到了学校的支持。“幸运地是,当我把想做实验的想法告诉物理系何佳清主任和俞大鹏院士的时候,他们都愿意相信我,并都表示了支持。系主任当时就给了我一间实验室空间,而俞老师给了我第一笔实验经费,他们的支持成就了我的转型。”许志芳笑说,自己所做的实验是“非常烧钱的”,学校能不惜投入各种资源去支持一个从未做过实验的人,“如果不是在南科大,这一切是无法想象的”。

如果说许志芳从零开始投入实验是一次冒险的话,那南科大鼓励创新、包容失败的氛围,就是让不可能变成可能的“魔法棒”。

坚持下去,黑暗尽头总有亮光

决心有了,想法有了,学校的支持有了,但最初,许志芳还是一筹莫展。该怎样从无到有组建一个实验室、一个团队?

他想到的第一个办法是“偷师”。“什么都不懂,我就派组里的人到国内外各大知名实验组去参观学习,从同行们的实验室里学习经验。渐渐地,我们终于对实验室的建设和搭建有了一点感觉。”就这样“摸着石头过河”,许志芳课题组在2018年11月完成了实验室的装修。后来又是在各方帮助下,购买设备、搭建线路……理想就这样一点点照进现实。

而第二个办法,就只能是笨拙的“坚持”。“那时我天天陪着博士生一起搭光路,经常要搞到深夜。碰到解决不了的问题,我就打电话问人,认识的业内人士都被我问了个遍。之后,真空系统到货,我们花了一个月左右的时间进行烘烤。我记得非常清楚,当我们烘烤好系统又冷却结束后,走出实验室已经是2019年5月1日的凌晨3点……”回忆起这一幕幕,许志芳说,他记得自己一筹莫展的迷惘、无助,也记得自己亲力亲为组装线圈、水冷接头时割破的手指,更记得跟学生一次次面对失败,“最简单的激光偏振都搞错”的沮丧……

但是,一切都是值得的。

“当我第一次看到通过激光制冷技术捕捉到的一小团原子,第一次看到原子散射出来的荧光,这种兴奋是做理论的时候无法体会到的。与此同时,真正做实验之后,我也经常会发现一些以前意想不到的地方,比如理论上考虑的通常都是完美的模型,实验上却要考虑很多细节”。以实验印证理论,以实验提升理论,许志芳说,自己就是在这样“自找苦吃”的转型里找到了科研的快乐。

更重要的是,实验给许志芳打开了更多扇通往真理的窗口。就拿此次研究来说,他从一开始就面临着“此路不通”的质疑。他的德国合作者Andreas Hemmerich一直在追问:整个系统的非零角动量怎么产生?“这是一直困扰科研界的难题,我们理论上无法回答这样的问题。但是在实验中,我们发现会有一部分热原子沿着重力方向逃逸出整个系统,可以带走一部分相反的角动量。这样就可以解释他的问题了。”

搞了这么多年的物理研究,许志芳说,那一刻自己依然会发出如初学者般恍然大悟、豁然开朗的感叹——“原来是这个样子的”!

“爱折腾”的人遇到了最宽阔的舞台

许志芳打趣说,自己就是“爱折腾”。而很幸运,南科大鼓励这种“折腾”。

“其实我的本科是在中山大学珠海校区读的,本科阶段就经常来深圳,我非常喜欢这座城市。2014年,我就来南科大面试过,后来兜兜转转,终于在2017年正式加盟南科大。”许志芳说,在他看来,南科大就像是“第一眼美女”,看过就忘不掉。“这里的自然环境非常吸引我,基本上天天都能看到蓝天白云,空气新鲜、环境优美。以至于我现在非常喜欢待在校园里,都不太爱出差。”

而更吸引他的,是南科大浓厚的科研气氛和鼓励创新的气质。“自由宽松的环境对做基础研究还是起到非常大的促进作用。这所年轻学校所散发出来的活力和朝气让人倾心,因为这里充满许多可能和机遇。我记得非常清楚,刚加盟南科大的时候,学校就鼓励大家组建团队一起做研究,俞大鹏院士还建议做理论的老师也可以考虑组建一个团队做实验。也就是在这个时候,我知道机会来了!”

年轻的深圳、年轻的南科大,成了许志芳尽情“折腾”释放创意的舞台。

科研不息,“折腾”不止。在许志芳看来,这次发表在《自然》的成果只是一个起点。“在这次实验中,我们观测到了全局原子手性超流,但目前我们对这个特殊量子态的表征还仅仅停留在动量分布之上。下一步我们希望可以通过其他的手段来进一步刻画这个态的其他方面的性质。与此同时,在这次实验中,我们找到了一种主动制冷的办法,让我们可以把原子送到高轨道的同时大大降低系统的温度。这种办法的出现,让我们相信一些以前被认为没法实现的理论方案是有可能实现的。另外,做出更多光晶格高轨道的实验以及光晶格高轨道上面玻色气体的动力学行为也将是我们研究的一个方向……”

许志芳说,现在的实验打开了一个全新的“魔法盒”,会变幻出许许多多的可能,而他,也会在自己认准的道路上继续“折腾”下去。

审读;谭录岗

来源:读创

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