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我国学者成功研制用于搜寻新粒子的单自旋量子

发布时间:2019-10-08 07:54编辑:科学浏览(123)

    中国科大博士生黄璞:俯身科研 认识自然

    中国科大教授杜江峰:“嗅觉”引领创新

    新华社合肥2月25日电寻找粒子物理标准模型之外的新粒子,对物理新探索非常重要。记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰院士团队近期成功研制出用于搜寻 “类轴子粒子”的单电子自旋量子传感器,将搜寻的力程拓展到亚微米尺度。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

    寻找粒子物理标准模型之外的新粒子,对物理新探索非常重要。记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰院士团队近期成功研制出用于搜寻 “类轴子粒子”的单电子自旋量子传感器,将搜寻的力程拓展到亚微米尺度。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

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    新粒子的发现,可用于填补当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等方面的理论缺陷,例如粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物质不对称性以及暗物质和暗能量的物理本质。

    新粒子的发现,可用于填补当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等方面的理论缺陷,例如粒子质量等级问题、强CP疑难、正反物质不对称性以及暗物质和暗能量的物理本质。

    ■本报通讯员 刘爱华

    ■本报记者 陈欢欢 通讯员 曾皓

    近年来,国际学界发展了一系列精巧的实验装置,在20微米以上的力程范围内开展了电子与核子相互作用的搜寻。但要在更短的力程范围内开展实验研究,则面临一系列挑战:如何构筑一个尺寸足够小的传感器?如何设计传感器的几何形状从而允许电子和核子充分接近?如何提升传感器的灵敏度,从而给出有意义的限定?如何有效隔离好环境噪声,尤其是不可避免的电磁噪声?

    近年来,国际学界发展了一系列精巧的实验装置,在20微米以上的力程范围内开展了电子与核子相互作用的搜寻。但要在更短的力程范围内开展实验研究,则面临一系列挑战:如何构筑一个尺寸足够小的传感器?如何设计传感器的几何形状从而允许电子和核子充分接近?如何提升传感器的灵敏度,从而给出有意义的限定?如何有效隔离好环境噪声,尤其是不可避免的电磁噪声?

    2014年,作为第九届“中国青少年科技创新奖”获得者,他站在了人民大会堂的领奖台。

    杜江峰的学术“嗅觉”一直很灵敏,这次他又“闻”对了方向。

    近期,杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室团队与中科大天文学系、国家同步辐射实验室科研人员合作,提出并实现了一种全新的探测方法,即将金刚石近表面NV色心的电子自旋,用作传感器来搜寻小于20微米范围的电子与核子相互作用。他们制备了离金刚石表面10纳米以内的NV色心作为探测器,开发了相应的电子学设备和量子控制方法,解决了上述制约短力程探索的系列难题。实验表明,新传感器可以探索的力程范围是0.1微米到23微米,为电子—核子相互作用的探索提供了新的观测约束。

    近期,杜江峰领导的中科院微观磁共振重点实验室团队与中科大天文学系、国家同步辐射实验室科研人员合作,提出并实现了一种全新的探测方法,即将金刚石近表面NV色心的电子自旋,用作传感器来搜寻小于20微米范围的电子与核子相互作用。他们制备了离金刚石表面10纳米以内的NV色心作为探测器,开发了相应的电子学设备和量子控制方法,解决了上述制约短力程探索的系列难题。实验表明,新传感器可以探索的力程范围是0.1微米到23微米,为电子—核子相互作用的探索提供了新的观测约束。

    5年前,他被保送进入中国科学技术大学攻读研究生。

    2015年,中国科学技术大学教授杜江峰团队在《科学》发文:利用钻石中的氮—空位点缺陷作为量子探针,选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象,将量子技术应用于单个蛋白分子研究,在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。《科学》杂志《展望》栏目评价称,“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。

    据介绍,这一新方法也可以推广到其它自旋相关的新相互作用的研究,从而为利用单自旋量子传感器来研究超出标准模型的新物理提供了可能性,有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个科学领域的广泛兴趣。《自然·通讯》审稿人高度评价该工作,认为这种新颖的实验方法,为直接探测较大质量的类轴子开辟了实验窗口。

    据介绍,这一新方法也可以推广到其它自旋相关的新相互作用的研究,从而为利用单自旋量子传感器来研究超出标准模型的新物理提供了可能性,有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个科学领域的广泛兴趣。《自然·通讯》审稿人高度评价该工作,认为这种新颖的实验方法,为直接探测较大质量的类轴子开辟了实验窗口。

    5年来,他多次获奖:2012年,获得中科大博士研究生学术新人奖、光华奖学金;2013年,获得中科大国家实验室研究生学术论坛报告一等奖、求是奖学金、国家奖学金、量子信息与量子科技前沿协同创新中心杰出研究生奖。此外,他以第一作者身份发表高水平论文3篇,成果相继发表在《物理评论X》《自然—通讯》《物理评论快报》上。

    “量子精密测量的应用很可能比量子计算来得更早。”杜江峰告诉《中国科学报》记者,一个前景可期的未来近在咫尺。

    2014年,作为第九届“中国青少年科技创新奖”获得者,他站在了人民大会堂的领奖台。

    一路走来,凭借着准确的“嗅觉”,杜江峰的科研之路没走什么“弯路”,他庆幸,自己生在了一个创新的时代,碰上了适合自己的创新土壤。

    他叫黄璞,是中国科学技术大学的一名博士生。

    杜江峰在中国科学技术大学已经度过了31年:16岁保送少年班,28岁进军量子计算,46岁成为中国科学院院士。不过这31年中,他的大部分时间都是在实验室度过的。

    荣誉,为什么总是眷顾黄璞?

    “上世纪90年代末,量子计算在国际上已经成为热点,国内刚开始有人进行实验研究,正好我有计算机的背景,这是以我的知识背景能选择的比较好的方向。”杜江峰这样描述自己的第一次“嗅觉”。

    2009年,成绩优异的黄璞从四川大学保送进入中科大合肥微尺度物质科学国家实验室攻读研究生,师从杜江峰教授。在牛人林立的中科大,黄璞当时并没有什么突出的优势。

    2002年,杜江峰团队在国际上首次用实验实现量子博弈,论文发表于《物理评论快报》,这也是国内量子计算实验研究首次在该杂志发表。

    “我身边的同学不少都是从少年班和理科实验班毕业的尖子生,他们基础非常扎实。”这让原本自信的黄璞,内心掀起了不少波澜。

    2009年,杜江峰团队又首次在真实固态体系中实现了最优动力学去耦,极大地提高了量子相干保存时间,成果发表于《自然》。《自然》评述文章指出,该研究成果“重要性在于极大提升了现实物理体系的性能,从而朝实现量子计算迈出重要的一步。”当年,该成果入选了两院院士评选的中国十大科技进展。

    导师杜江峰却对弟子们一视同仁。开学没多久,杜江峰将黄璞和几位同学叫到办公室,“你们如今都站在同一条起跑线上,以后的道路是从现在开始的”。

    回顾这些成绩,杜江峰认为,是从实验角度很好地跟踪了国际前沿。2009年之后,他开始尝试将研究深入到光探测磁共振领域,购买的谱仪已经不能满足实验需求。此时他认识到,要从跟踪前沿研究转化为引领前沿研究,首先要自主研制仪器。

    从零开始,黄璞以归零的心态开始学习。研究生一年级时,黄璞坚持两点一线的学习生活。

    于是,杜江峰在实验室开始尝试自己设计、研制新的科学谱仪,以满足在单分子层面上的科学研究。杜江峰的第二次“嗅觉”不久又带来了新的成果——量子探针。

    “每天晚上,杜老师都会到实验室指导我们的研究,讨论问题,从最简单的信号处理、数据分析到实验原理,他就像师兄一样给了我们非常细致的指导。”

    “这种以钻石为‘探针’的磁共振方法可以把以前看不见的东西变得‘看得见’,在化学、材料、生命等很多领域都有广阔的应用前景。”杜江峰解释说。

    在杜江峰的建议下,黄璞特意选修了吴明卫老师的《固体理论》,“吴老师强调物理图像的建立,着重训练我们用物理的思维模式来思考物理问题本身。”这门课程让黄璞在此后的研究中受益良多。

    “我每次选题选得都不错。科研一方面是能力,一方面是‘嗅觉’,能捕捉到科学前沿方向也是很重要的能力。”杜江峰告诉记者。

    上课之外的时间,黄璞几乎都花在了实验室里。最初,因为实验技能有限,黄璞做的都是一些简单的事情:待在漆黑的房间里找一些很初级的信号,找到了做好标记,然后找下一个,如此反复。经过这个过程的锻炼,黄璞对实验平台的细节有了扎实而清楚的掌握。大半年后,黄璞慢慢开始接触一些有技术含量的实验。

    谈到未来,他说:“希望能多做出一些原创性创新成果,有朝一日在这个领域能够引领世界前沿研究。”

    就这样,黄璞俯身探入科研的世界。

    灵敏的“嗅觉”、对研究方向的准确把握使得杜江峰团队独具吸引力。

    对物理的兴趣,最早可能要追溯到小学时的自然课。“我们见到的自然现象背后,永远都有着更深刻奇妙的本质,而探索出这些本质,就可以改变人们看待世界的方式。”这一切让黄璞深深地着迷。

    “钻石探针”成果第一作者、团队成员石发展从大学三年级就跟随杜江峰从事光探测磁共振工作。他说:“刚进入实验室时有过一段迷茫期,幸好杜老师帮我找准了方向。杜老师眼光独到,能带领团队做最有价值的研究。”

    物理成绩一直名列前茅的黄璞,升入大学顺理成章地选择了基础物理专业。大三时,黄璞从老师那儿第一次了解到“量子计算”这个全新的领域。量子测量是如何实现的?为何波函数在测量的时候就不再按照量子力学的动力学方程演化了?

    杜江峰研究团队的人员都很年轻,除他自己以外,其他科研骨干都在40岁以下,大多数是80后。

    微观世界下的物质规律有太多的未知,怀着一颗好奇心的黄璞再一次被深深吸引。经过多方了解和考察,黄璞选择了在量子科技领域走在国际前沿的中科大。

    “我们这个团队真是蛮拼的,全年没有休假日,几乎每天都有人工作到凌晨,但从来没有打卡制度,大家都是自愿投入时间和精力,我想是因为他们感受到了科研的快乐吧。”杜江峰说。

    刚进科大时,黄璞从事的是“电子自旋的退相干过程研究”,在确定了研究目标后,黄璞开始查文献、做实验,每天满满十二小时的工作时间。其间,他参与搭建了光探测实验平台。

    据石发展透露,杜江峰本人通常是第一个到实验室、最后一个离开的。

    天道酬勤。进入科大两年后,《噪声环境中单自旋朗道—齐纳干涉仪》和《单自旋反常退相干的实验观测》这两篇成果发表在物理学国际顶尖杂志《物理评论X》和《自然—通讯》上。

    享受科研的过程,是杜江峰希望传递给每个团队成员的理念。

    科研工作没有既成题目和标准答案,需要的是创新和探索。经过3年研究生涯的积淀,黄璞更深地了解了科研的内涵。

    “‘钻石探针’这个成果收到《科学》编辑修改意见时正值春节,杜老师和我几乎天天泡在这件事上,丝毫不觉得苦累。”石发展说,“杜老师时常告诫我们不要‘混文章’,而要做真正有价值的研究,这个过程是充实而快乐的。”

    博士一年级时,在导师杜江峰的建议下,黄璞将研究方向改换到“力探测”。“原先的研究方向很热门,可那是循着别人的脚步在行走,现在的方向完全是我们的原创。”黄璞说,“科研之路贵在创新,要走自己的路。”

    事实上,科研的过程往往伴随着挫折和失败。

    做科研的乐趣在于,每天都是一个新的开始。“每天的工作中都可能得到不一样的实验结果,失败是常有的,可是每天都可能会有突破性的进展。”黄璞乐在其中,“科研路上会遇到坎坷,但是风景无处不在。”

    “现在我对‘失败是成功之母’理解比较深刻了,但我不称之为失败,而叫挫折。”杜江峰告诉记者:“好的工作和成果往往是有‘门槛’的,这个‘门槛’就是挫折堆出来的。只要‘嗅’准了方向,遇到挫折应该高兴,这是做科研的常态,跨过了‘门槛’就能进步。”目前,杜江峰团队已分别在《自然》《科学》《自然》子刊、《物理评论快报》发表了2篇、3篇、7篇、27篇论文,在其他国际学术期刊上发表论文100余篇,SCI他引2500余次。

    2013年,黄璞在“力探测”的研究上已经花费了一年的时间,而实际测出的实验结果却与黄璞预想的不同。此时,摆在黄璞面前的有三条路:一是跳过去,选择一个新的方向;二是将此研究草草结束;三是继续坚持下去。此时,导师杜江峰给了黄璞一些建设性的意见,黄璞听从导师的建议,坚持了下去。

    “遇到困难时肯定有过郁闷和沮丧,但还好,杜老师带着我们把一个个问题都攻下来了。”石发展回忆说。

    柳暗花明。不久后,黄璞在“基于力学参数转换的位移精密测量”研究中取得突破,研究成果发表在《物理评论快报》上。

    “钻石探针”属于跨学科研究。“如果能将生命科学的探索推进到单分子水平,就有可能对探明疾病起源有所帮助。”杜江峰谈起这项工作的缘起。

    “做科研一定要有良好的心态,过程比结果更重要,要会欣赏路上的风景。”这是黄璞师承的科研感悟。让黄璞感触更深的,是环境和团队的重要性。

    在跨学科研究的过程中,团队遭遇了很多意想不到的问题,最终历时3年,同从事蛋白质研究的科学家展开了交叉学科的合作,共同完成。

    1 1>2,这是黄璞对团队的认识。

    “多学科是大学得天独厚的科研优势,而且中国科大一直以来都有学术优先的文化和传统,学术交流的平台比较好。”杜江峰认为,这种环境和土壤很重要。

    在“力探测”研究的实验平台搭建过程中,师兄王鹏飞提供了很大的帮助,最重要的样品是师弟周经纬负责的,实验的控制程序是实验室同学一起完成的,文章写作中段昌奎老师多次与黄璞进行探讨并帮助修改,而导师杜江峰对实验选题过程中遇到的问题给出了关键的指点。团队合作让黄璞少走了很多弯路。

    他回忆,自己能选择量子计算方向,也同在科大学习时打下的基础有关。“中国科大的基础课比较足,选修课很自由,我选修了计算机方面课程,学了很多东西。而且不管你是老师还是学生,只要目标是求学求知,大家都乐意帮忙。”

    “从事科研工作,特别是实验物理领域的科研工作,涉及到很多重要的环节,从最初创意的获取、仪器的搭建、程序的编写到经费的支持,都不是一个人可以完成的,这需要一个团队的紧密合作。”黄璞深有感触,“团队合作可以实现1 1>2的效果。”

    在这样的学习条件下,杜江峰从本科的物理专业慢慢转变为硕士时期的偏电子学方向。

    对于取得的成绩,黄璞低调而谦虚。“科大有着非常浓厚的学术氛围,特别是我所在的微尺度物质科学国家实验室和量子信息与量子科学前沿协同创新中心,提供了很好的平台和支持。”黄璞说,“换成其他人,处在这个实验室里,也会取得这样的成绩。”

    1998年,杜江峰正式开始量子计算方面的研究。当时,他只是物理系一名普通讲师,没有仪器,也没有经费。

    闲时的黄璞,喜欢摆弄自己的小提琴,拉一曲巴赫的《赋格曲》,拥有上海音乐学院小提琴九级证书的他,有一个最朴素的愿望:“俯身科研,认识自然。”

    “大约10年时间我都是借生物系的设备。”谈起这段往事,杜江峰记忆犹新:“当时施蕴渝院士有一台很昂贵的设备,是她很不容易争取来的,自己也当宝贝似的,但也没有反对我这个外学院的人来借用,而且鼓励我好好用,有什么不明白的问题找他们,都会耐心地讲解。”

    《中国科学报》 (2014-10-17 第12版 视界)

    第一个实验成功后,杜江峰向学校借了一部分经费继续下一步研究,终于陆续申请到一些项目解了燃眉之急。可以说,正是用借来的设备和经费,杜江峰一步步走上正轨。

    “中国科大提供了很好的创新土壤。”杜江峰直言:“创新是一个整体的概念,光靠科研人员的创新精神不够,光靠别人搭建的平台也不够,需要将两者合二为一。”

    《中国科学报》 (2016-05-30 第2版 科技盛会)

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