南科大许志芳:登上《自然》的突破性成果,从“什么都不懂”开始
2021年12月03日 媒体 浏览量 :1253

“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,许志芳领导的团队同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。

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许志芳在实验室

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。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,我们的实验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。而登上《自然》的研究成果,最大突破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。许志芳说,“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。”

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。”

前沿研究,居然从“什么都不懂”开始

“这个研究是在2019年才正式启动,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。

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。”

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。“幸运的是,当我把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,他们都相信我,都表示了支持。系主任当时就给了我一间实验室,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。”

“爱折腾”的人遇到最宽阔的舞台

“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。”许志芳说,自己就是在这样“自找苦吃”的转型中找到了科研的快乐。

许志芳打趣说,自己就是“爱折腾”。很幸运南科大鼓励这种“折腾”。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。他说,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。


报道链接:https://appdetail.netwin.cn/web/2021/12/ac3a710e7e8466ac93cf674c40666b05.html 


来源:读创

记者:吴吉

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