讀創/深圳商報首席記者 吳吉
“最開始的時候，我什麼都不懂，連實驗室裡需要配備些什麼都一竅不通”……就是這位一連說了好幾次“什麼都不懂”的科技工作者，卻實現了量子物理研究領域的新突破。他就是南方科技大學物理系副教授、量子科學與工程研究院創始研究員許志芳。
近日，許志芳領導的團隊與南科大量子科學與工程研究院和美國匹茲堡大學教授劉文勝以及德國漢堡大學教授Andreas Hemmerich合作，在實驗室中首次觀測到類六角氮化硼光晶格上由相互作用誘導的具有拓撲準粒子激發的全域性原子手性超流。研究成果今年8月發表在國際頂尖學術期刊《自然》上。
靈光一現，困擾許久的難題迎刃而解
許志芳課題組此次取得的重要進展，是首次透過實驗觀測到了全域性原子手性超流，其中兩個很重要的特徵就是有非零的全域性角動量和拓撲準粒子激發。據許志芳介紹，這種拓撲的超流或者超導體是凝聚態物理中的一個前沿領域。“以前的實驗實現的是總角動量為零的手性超流，這種超流不具有拓撲的準粒子激發。在科學界，尋找一種具有內稟拓撲超導電性或超流性的天然或人造材料是一個重要的研究課題。而我最近一些年都在研究具有拓撲準粒子激發的玻色超流，包括理論探索和實驗的實現方案。最終，我們目前的實驗就實現了具有拓撲準粒子激發的玻色p+ip超流。”這個最新進展填補了量子物理學界的一項空白，為今後的物理研究提供了“從理論走向實驗”的更多可能。
許志芳研究的領域是“冷原子物理”，簡言之就是透過鐳射製冷技術把原子的運動速度降低。在低溫情況下，原子的波動性很明顯，可以有利於科學家對原子展開更深入的研究。而此次登上《自然》的研究成果，最大的突破也是透過製冷在實驗上首次觀測到由相互作用誘導的具有拓撲準粒子激發的全域性原子手性超流。“透過前期的理論計算，我們發現，想要實現第二條能帶原子再凝聚的過程非常困難，需要想辦法將BEC原子的溫度冷卻到更低。也正是因為這個難點，讓整個科學界都裹足不前。如何將光晶格中原子的熱量帶走？一開始，我們在這個問題上也嘗試了很多方法，但效果並不是很好。”許志芳說，為了打破這個瓶頸，整個科學界都在絞盡腦汁。
而幫助許志芳課題組捅破窗戶紙的，是偶然的靈光一現。他說：“有一天，課題組的王小瓊博士（本論文第一作者）在一次實驗間隙小憩醒來，突然想到一個非常巧妙且不難實現的方法——把光阱阱深降一降。這一巧妙操作之後，我們就馬上觀測到高軌道原子的壽命變長了，溫度更低。這是非常重要的一步，有了這一步，我們之後很快就觀測到了此次論文中提到的相互作用誘導的時間反演性破缺形成的全域性手性超流體的形成過程，這標誌著我們的實驗取得了預期的結果。”
許志芳
前沿研究，居然從“什麼都不懂”開始
許志芳團隊的成功，看上去是偶然間被靈感的“蘋果”砸中了頭，可實際上，背後是一串長長的足跡……
這項研究持續了多長時間？這個簡單的問題，卻把許志芳難住了。該如何界定研究的時間呢？“這個研究是在2019年才正式啟動，但其實之前，我在做理論研究時就對這個領域有著長久的思考和積累”，許志芳說，“遺憾的是，當時國內對我所做理論感興趣的實驗小組幾乎沒有”。只有理論，沒有實驗，自己的想法該如何被印證？2017年加盟南科大後，許志芳萌生了一個大膽的想法——我要自己轉型做實驗！
在此前漫長的學習和工作經歷中，許志芳都是“理論派”，實驗的經驗很少。“我以前是做理論的，掌握的物理知識都是來自於書本上或者文獻上的。理解前人的工作更多的是靠邏輯推理，靠想象。但是，我希望透過實驗來驗證自己的理論，我希望能把自己的研究付諸於現實。2017年底，我萌生了做實驗的念頭，但是又不敢明說, 因為我自己沒做過實驗，怕別人不相信我。”
許志芳的顧慮是可以理解的。從理論研究轉做實驗研究，看似是一次瀟灑的轉身，其實談何容易？用許志芳自己的話說，“我那時候對實驗一竅不通，連實驗室怎麼裝修、採購哪些儀器和真空系統的設計都毫無頭緒。”
但就是在這樣“零基礎”的條件下，許志芳的提議不僅沒有被潑冷水，反而得到了學校的支援。“幸運地是，當我把想做實驗的想法告訴物理系何佳清主任和俞大鵬院士的時候，他們都願意相信我，並都表示了支援。系主任當時就給了我一間實驗室空間，而俞老師給了我第一筆實驗經費，他們的支援成就了我的轉型。”許志芳笑說，自己所做的實驗是“非常燒錢的”，學校能不惜投入各種資源去支援一個從未做過實驗的人，“如果不是在南科大，這一切是無法想象的”。
如果說許志芳從零開始投入實驗是一次冒險的話，那南科大鼓勵創新、包容失敗的氛圍，就是讓不可能變成可能的“魔法棒”。
堅持下去，黑暗盡頭總有亮光
決心有了，想法有了，學校的支援有了，但最初，許志芳還是一籌莫展。該怎樣從無到有組建一個實驗室、一個團隊？
他想到的第一個辦法是“偷師”。“什麼都不懂，我就派組裡的人到國內外各大知名實驗組去參觀學習，從同行們的實驗室裡學習經驗。漸漸地，我們終於對實驗室的建設和搭建有了一點感覺。”就這樣“摸著石頭過河”，許志芳課題組在2018年11月完成了實驗室的裝修。後來又是在各方幫助下，購買裝置、搭建線路……理想就這樣一點點照進現實。
而第二個辦法，就只能是笨拙的“堅持”。“那時我天天陪著博士生一起搭光路，經常要搞到深夜。碰到解決不了的問題，我就打電話問人，認識的業內人士都被我問了個遍。之後，真空系統到貨，我們花了一個月左右的時間進行烘烤。我記得非常清楚，當我們烘烤好系統又冷卻結束後，走出實驗室已經是2019年5月1日的凌晨3點……”回憶起這一幕幕，許志芳說，他記得自己一籌莫展的迷惘、無助，也記得自己親力親為組裝線圈、水冷接頭時割破的手指，更記得跟學生一次次面對失敗，“最簡單的鐳射偏振都搞錯”的沮喪……
但是，一切都是值得的。
“當我第一次看到透過鐳射製冷技術捕捉到的一小團原子，第一次看到原子散射出來的熒光，這種興奮是做理論的時候無法體會到的。與此同時，真正做實驗之後，我也經常會發現一些以前意想不到的地方，比如理論上考慮的通常都是完美的模型，實驗上卻要考慮很多細節”。以實驗印證理論，以實驗提升理論，許志芳說，自己就是在這樣“自找苦吃”的轉型裡找到了科研的快樂。
更重要的是，實驗給許志芳打開了更多扇通往真理的視窗。就拿此次研究來說，他從一開始就面臨著“此路不通”的質疑。他的德國合作者Andreas Hemmerich一直在追問：整個系統的非零角動量怎麼產生？“這是一直困擾科研界的難題，我們理論上無法回答這樣的問題。但是在實驗中，我們發現會有一部分熱原子沿著重力方向逃逸出整個系統，可以帶走一部分相反的角動量。這樣就可以解釋他的問題了。”
搞了這麼多年的物理研究，許志芳說，那一刻自己依然會發出如初學者般恍然大悟、豁然開朗的感嘆——“原來是這個樣子的”！
“愛折騰”的人遇到了最寬闊的舞臺
許志芳打趣說，自己就是“愛折騰”。而很幸運，南科大鼓勵這種“折騰”。
“其實我的本科是在中山大學珠海校區讀的，本科階段就經常來深圳，我非常喜歡這座城市。2014年，我就來南科大面試過，後來兜兜轉轉，終於在2017年正式加盟南科大。”許志芳說，在他看來，南科大就像是“第一眼美女”，看過就忘不掉。“這裡的自然環境非常吸引我，基本上天天都能看到藍天白雲，空氣新鮮、環境優美。以至於我現在非常喜歡待在校園裡，都不太愛出差。”
而更吸引他的，是南科大濃厚的科研氣氛和鼓勵創新的氣質。“自由寬鬆的環境對做基礎研究還是起到非常大的促進作用。這所年輕學校所散發出來的活力和朝氣讓人傾心，因為這裡充滿許多可能和機遇。我記得非常清楚，剛加盟南科大的時候，學校就鼓勵大家組建團隊一起做研究，俞大鵬院士還建議做理論的老師也可以考慮組建一個團隊做實驗。也就是在這個時候，我知道機會來了！”
年輕的深圳、年輕的南科大，成了許志芳盡情“折騰”釋放創意的舞臺。
科研不息，“折騰”不止。在許志芳看來，這次發表在《自然》的成果只是一個起點。“在這次實驗中，我們觀測到了全域性原子手性超流，但目前我們對這個特殊量子態的表徵還僅僅停留在動量分佈之上。下一步我們希望可以透過其他的手段來進一步刻畫這個態的其他方面的性質。與此同時，在這次實驗中，我們找到了一種主動製冷的辦法，讓我們可以把原子送到高軌道的同時大大降低系統的溫度。這種辦法的出現，讓我們相信一些以前被認為沒法實現的理論方案是有可能實現的。另外，做出更多光晶格高軌道的實驗以及光晶格高軌道上面玻色氣體的動力學行為也將是我們研究的一個方向……”
許志芳說，現在的實驗打開了一個全新的“魔法盒”，會變幻出許許多多的可能，而他，也會在自己認準的道路上繼續“折騰”下去。
審讀；譚錄崗
