2016年，刚本科毕业不久的杜立就收到了自己的博士生导师、诺贝尔物理学奖得主Wolfgang Ketterle抛来的“烫手山芋”——这位美国麻省理工学院（MIT）教授让他在MIT设计搭建一个全新的量子气体实验室，进行超冷原子镝（Dy）的实验。
今年5月，依托这个新实验室，他们在《科学》上发表了一项重要成果，展示了一种新的超分辨率技术，能在仅仅50纳米的距离下操控两层温度接近绝对零度的原子气体。在50纳米距离处，偶极相互作用的强度是500纳米处的1000倍，为探索一系列新的量子多体现象奠定了基础。
如今已在MIT做博士后的杜立是该研究的第一作者兼通讯作者。为了从“0”搭建好这个全新的实验室、探索出一系列创新成果，“90后”的他已经坚持了8年，目前正在搭建MIT第二个镝原子量子气体实验室。
杜立
杜立告诉《中国科学报》，作为自己在超冷原子物理领域的科研领路人，Ketterle的多年栽培让他受益匪浅，“Ketterle不断以更高的要求让我们思考各种物理现象。我们的实验室没有小导师，所有学生都是Ketterle亲自带”。
50纳米尺度下的“量子乐高”
2016年8月，从南京大学本科毕业的杜立前往MIT攻读博士学位，在校园里，他第一次见到了导师——BEC先驱、2001年诺贝尔物理学奖得主Ketterle。两个人的第一次见面交流，就催生出一个新的科研想法。
“你来设计搭建镝原子的量子气体实验室吧。”Kettlerle对杜立说。
杜立知道，从“0”搭建一个全新的实验室对科研人员而言是非常珍贵的机会，对一个博士新生来说尤为难得，便毫不犹豫地答应了。但彼时的他还没有意识到，这个承诺意味着未来8年甚至更长的科研路上将要面对无数的困难和机遇。
在博士毕业典礼上，杜立（右）与导师Wolfgang Ketterle教授的合影
杜立介绍，之所以研究镝原子，是因为镝属于镧系金属，具有高磁性、高自旋等特征，以及所有元素中最大的永久磁矩——即便在较远的距离下，两个镝原子仍能“感受到彼此”。正是镝原子的这种长程相互作用，使得许多新的量子系统的组建成为了可能。
为了将镝原子像“量子乐高”一样一块块自下而上搭建成新的量子系统，科学家需要借助激光冷却技术将中性原子的温度降低到1微开尔文至1纳开尔文，这也是人类能达到的最低温度。在搭建如此庞大的实验系统过程中，光是磁光阱俘获这一步，就用了两个月的时间。
激光冷却技术的第一步是将镝原子加热到1000多摄氏度，再进行塞曼减速与磁光阱俘获，俘获后镝原子温度会降到10微开尔文，最后进一步蒸发冷却，就可以达到BEC的相变温度。
但真正的实验总是充满无数变量，万事俱备的他们就是做不出想要的结果。经过不断的尝试，有一天，杜立在晚饭后照常回到实验室工作，突然看到真空腔中蹦出来一个红点！再次确认后，他激动地喊道：“出现了！”
但这只是无数困难中的冰山一角，对杜立而言，最大的“敌人”其实是自己。他坦言，面对诸多难题，自己也曾想过放弃，好在每一次自己都坚持了下来。
杜立在实验室
2020年，实验室终于可以稳定地实现镝原子的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。此时的杜立在探索镝原子间长程偶极相互作用带来的多体效应的过程中，产生了一个疯狂的想法：能否将原子间距缩短至原来的1/100，挤压到10纳米，甚至5纳米？
要知道，利用传统的激光操控方法，原子间距只能被挤压到500纳米左右。这一想法，无疑是一个量级的突破。
初步演算后，杜立隐隐觉得可行，马上找到Ketterle讨论。经过数次线上会议，他们决定一试，并于2022年正式投入实验。此前实验室6年的工作铺垫，使得这一实验的进展格外顺利。
借助镝原子的复杂自旋提供的额外自由度，他们提出了一种新方法：双频率-双偏振超分辨率势阱。这种方法的妙处在于，通过使用两束频率不同、偏振方向相反的圆偏振光，实现对自旋相反的镝原子的独立控制。
杜立解释，虽然每一束激光的衍射极限都是几百纳米，但一种自旋基态的镝原子只会“感受到”一束激光，不受另一束激光的影响。
“基于这个原理上的突破，我们将束缚在两束激光衍射光斑中心的两个或两层原子靠近到了小于50纳米的距离，这相当于人类头发丝直径的1/2000。”杜立说，50纳米间隔下的磁性“乐高块”间的长程相互作用，是500纳米间隔下的1000倍。
这项发表在《科学》上的研究打开了探索更多新物质的大门，并为未来量子模拟、量子计算等领域的发展带来了新的启示。
没有“小导师”的实验室
进入MIT之前，杜立对超冷原子领域并不太了解，而他选择这个方向的理由很简单：能跟着诺奖得主学习最前沿的物理。
但是，这也让杜立在进入Ketterle的实验室之初吃了不少苦头。一方面，对领域内许多知识的不了解让他感到非常吃力；另一方面，即使是自己相对了解的问题，Ketterle也总能从不同角度发散，“我一开始很难跟上他的节奏，有时感到很痛苦”。
杜立没有放弃，反而产生了一股要弄懂所有问题的冲劲。每次开完会，他都会把关键词写在笔记本上，再将讨论的内容进行复盘，直到完全理解。慢慢地，他不仅能跟上Ketterle的思路，还可以自如地与其交流讨论。
“Ketterle的实验室里没有所谓的‘小导师’，所有的学生都由他亲自指导。”杜立说，Ketterle有5个实验室，每个实验室每周都会单独开3个小时左右的组会，周五还有持续2小时的大组会。
在组会上，Ketterle很少让学生机械式地汇报工作，而是和大家一起从第一性原理出发，从各种不同角度对一个个物理问题进行深入解释、推翻，再解释、再推翻，通过这个过程加深学生对物理问题的理解，并科学地分析每个理论的局限性。
“简直是3个小时的头脑风暴，但大家并不觉得累，反而觉得特别有意思。”杜立告诉《中国科学报》，组会上大家经常争论得面红耳赤，Ketterle也很鼓励学生建立批判思维，对与自己不同的意见，给予充分尊重。
在杜立博士毕业典礼上实验室全体成员的合影
但在具体实验中，Ketterle却极其严谨，经常会对大家认为板上钉钉的现象提出质疑。在这种质疑和反复推敲下，学生们总是会发现新问题，也常常会“白高兴一场”。
在杜立眼中，Ketterle还是个“科研狂”，工作到凌晨5点是家常便饭。有一天，大家约好上午9点开组会，但Ketterle迟迟没有出现。正当所有人猜测他难得迟到一次时，办公室的门缓缓打开了，原来Ketterle为了写一份科研材料在办公室待了一整晚。
科研之外，Ketterle还是一位“准专业”马拉松运动员。2014年，57岁的Ketterle在波士顿马拉松中取得了个人最好成绩：2小时44分。如今，67岁的Ketterle依旧保持着运动的习惯，经常骑几个小时的自行车往返学校。
匠人精神做科普
除了做科研，杜立还是拥有数万粉丝的科普博主。
2020年，受疫情影响，居家隔离的杜立在科研之余萌生了做科普视频的想法。从没有接触过这一行的他开始捣鼓起了剪辑软件、三脚架、摄影……视频素材就来源于他自己在笔记本上记录下来的有趣的物理问题。
“如何接近绝对零度”“量子力学的不确定原理”……专业的解说词、精美的画面以及生动的解读，为他赢得了大量观众的点赞。对于评论区的上百条留言，他也会认真答疑解惑。
虽然每个视频时间并不长，但制作过程却往往要花上一个月的时间。“我觉得做科普视频也要有匠人精神。”杜立说。
在陌生的领域摸索，让他有了意想不到的收获。
在杜立的“粉丝”中，有一些特殊的“小粉丝”。他们大多是来自二三线城市，却对物理有着很高热情的中学生，有的是私信物理问题，有的是讲述对物理世界天马行空的想法，杜立都非常热情地与他们互动。
杜立知道，不是所有地方的学生都能接受最好的物理教育和培训。来自江苏常熟一个普通县城的他，也曾对物理有着炽热的理想，但高中物理竞赛失利给了他不小的打击，也让他在选择大学专业时与物理无缘。幸运的是，通过南京大学的物理拔尖计划考试，杜立顺利转到了物理专业。
“很多人可能在小时候对物理感兴趣，但是长大后却没有办法继续做这件事情，这会很遗憾。”杜立说，遇到这样的学生，自己都会尽力去帮助、引导他们，“如果能给他们一些帮助，我会觉得很有意义。”
在科普这条路上，杜立还结识了一些志同道合的好朋友。他们是一线的科研工作者，也同样是在科普战线上的奋斗者。
（图片由受访者提供）
杜立抖音号：Schrodingers_Li
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相关论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023
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