深研凝聚態(tài)物理，于無(wú)人處更進(jìn)一步

抬頭望，星空總是靜謐深邃又復(fù)雜多變，其中既有“星垂平野闊，月涌大江流”的雄渾開闊，亦含“醉后不知天在水，滿船清夢(mèng)壓星河”的柔美沉醉，還有“纖云弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗度”的情絲期盼……但若要厘清星芒之間暗含的理學(xué)規(guī)律，將思想的邊界延伸至遠(yuǎn)方，還要依靠“析萬(wàn)物之理，判天地之美”的物理學(xué)。

物理學(xué)當(dāng)然是美的，它熠熠生輝地閃耀在對(duì)原初想法的鍛造中。身處其中的人越是向前觸及科學(xué)的前沿，接近人類認(rèn)知能夠抵達(dá)的邊界，越會(huì)覺得自己眼前風(fēng)光旖旎，流連忘返。也正因如此，南京大學(xué)物理學(xué)院副教授王銳才會(huì)將自己人生的航船義無(wú)反顧地駛向物理學(xué)凝聚態(tài)理論的學(xué)海之中，且始終不改初心，在一次次直覺和嘗試?yán)飳?duì)理學(xué)智慧的熱愛訴說(shuō)，在那些與失敗擦肩而過的境遇里，也能保持著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維去探究星辰大海宇宙蒼穹的秘密，追尋萬(wàn)事萬(wàn)物的本質(zhì)。

“窺上帝奧秘”

對(duì)少時(shí)的王銳來(lái)講，物理有形——它既可以是父親口中每一件“奇聞異事”，也可以是紀(jì)錄片中一幅幅瑰麗畫卷，更可以是課堂上一道道百思不得其解的謎題，發(fā)人深省又引人入勝，好像掌握了其間原理就可“一窺上帝的秘密”。正因如此，他肯將幾乎全部精力都用來(lái)解題、“描畫”與拆解事件機(jī)理。但他漸漸發(fā)現(xiàn)，僅靠學(xué)習(xí)、研究表象其實(shí)無(wú)法靠近物理學(xué)的真諦，因?yàn)槲锢韺W(xué)最終所要探究和描述的是萬(wàn)物的本質(zhì)與世界的規(guī)律。由此，他只得加倍努力，并在十幾歲的年紀(jì)就暗自立下了要成為物理學(xué)家的美好期許。

世界上最幸運(yùn)的事情之一，莫過于一個(gè)人的天賦、興趣與努力高度統(tǒng)一還互成正比。在通往夢(mèng)想的路上，王銳很快就覺察到教材中的寥寥數(shù)語(yǔ)已經(jīng)滿足不了他的一片好奇之心，所以他開始自學(xué)。從高中到大學(xué)、從物理到數(shù)學(xué)，他看過的理學(xué)專業(yè)書數(shù)量遠(yuǎn)超自己的同齡人，心甘情愿地讓自己的課余時(shí)間被學(xué)術(shù)占據(jù)。但出人意料的是，高考的失常發(fā)揮與文科學(xué)科上的不足讓他與預(yù)期院校失之交臂，但他仍然秉持著對(duì)物理的堅(jiān)持，盡管身邊不斷有親友、老師嘗試勸導(dǎo)他填報(bào)金融、計(jì)算機(jī)等熱門專業(yè)，理由是物理學(xué)是純理論學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)相對(duì)枯燥，就業(yè)前景也不甚明確……但王銳卻斬釘截鐵，“我一定要報(bào)考理論物理專業(yè)，其他事情我不在乎”。而這份篤定背后，也飽含著父母的有力支持，“他們的鼓勵(lì)讓我在堅(jiān)定選擇的同時(shí)也鞭策自己，要在科研的道路上做出原創(chuàng)性理論，這才不算辜負(fù)他們的期待”。

言出必踐，一份年少意氣卻成為王銳此后幾十年的奮斗目標(biāo)，從本科到研究生，不變的是他如鯨向海般奔向物理學(xué)藍(lán)海的赤誠(chéng)，但他的行事風(fēng)格、思想維度卻變得越來(lái)越豐富、越來(lái)越沉穩(wěn)。

初入大學(xué)校園時(shí)，王銳心中只有一個(gè)感受——自由。暫時(shí)脫離了“全面發(fā)展”的規(guī)訓(xùn)，晨讀晚課的記憶也逐漸淡化于“昨天”……他可以只想自己所想、只學(xué)自己愛學(xué)。于是，他開始常常泡在圖書館里，與龐加萊、希爾伯特、佩雷爾曼等巨匠“對(duì)話”，在高等代數(shù)、群論、量子力學(xué)的世界里共情著先人的悲喜，“那真的是非常充實(shí)和純粹的一段日子，我漫無(wú)目的地看各種書，非線性物理、混沌、量子信息、量子計(jì)算等方面的知識(shí)都非常吸引我”。在導(dǎo)師曹天德教授的教導(dǎo)下，他越發(fā)認(rèn)識(shí)到物理學(xué)中充滿了一個(gè)個(gè)“驚世駭俗”的理論，它將宇宙做了驚人的簡(jiǎn)化，例如空間不再是一種有別于物質(zhì)的東西，而是構(gòu)成世界的“物質(zhì)”成分之一，一種可以波動(dòng)、彎曲、變形的實(shí)體……越是深入了解，王銳的興趣就越被激發(fā)，而當(dāng)他開始急于投入研究，卻得到了導(dǎo)師的勸解：“不要執(zhí)著于一時(shí)成績(jī)，沉下心去。只有將基礎(chǔ)打牢，厚培科學(xué)土壤，才能開出創(chuàng)新之花。”

巧合的是，當(dāng)王銳以南京大學(xué)理論物理專業(yè)第一的成績(jī)被南京大學(xué)物理學(xué)院錄取之后，其研究生導(dǎo)師王伯根教授也對(duì)他說(shuō)了幾乎相同的話。王銳很清楚，這是導(dǎo)師們的人生積淀，也是對(duì)他優(yōu)越物理天賦的愛護(hù)與珍惜。所以，他徹底摒棄了“急于求成”的心態(tài)，堅(jiān)信蔓蔓日茂，早開者榮，晚開者亦榮，只要保持“扶搖直上九萬(wàn)里”的勁頭，主動(dòng)把一件件小事做好，終能積小勝為大勝、積跬步至千里。在身邊幾乎所有同學(xué)都泡在實(shí)驗(yàn)室，或是埋頭構(gòu)思論文忙于畢業(yè)事宜時(shí)，王銳仍然不知疲倦地沉浸在理論物理基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)中。他花了近兩年時(shí)間把基礎(chǔ)卻艱深的理論課程重新進(jìn)行了學(xué)習(xí)與梳理，其中包括量子場(chǎng)論、重整化群、量子多體理論及數(shù)學(xué)方面的代數(shù)拓?fù)涞确矫娴闹R(shí)。“回憶起來(lái)，這兩年時(shí)間仿佛為自己建立起了一套完整的理論框架，學(xué)會(huì)了‘在水中游泳卻不下沉’的本領(lǐng)，就等著到波濤洶涌的地方試煉自己?！?/p>

在王銳的殷殷期待中，博士階段的他跟隨導(dǎo)師正式走入科研。事實(shí)證明，前期的充分積累發(fā)揮了重要作用，導(dǎo)師布置的課題他基本上1～2周內(nèi)就可以得到最終結(jié)果，而且可以快速讀懂前沿的艱深理論文獻(xiàn)。但王銳卻逐漸感受到自身認(rèn)知上的空虛，“人類對(duì)世界的認(rèn)知往往是片面的，必須通過不斷研究、探索來(lái)修正對(duì)萬(wàn)事萬(wàn)物的理解”。懷抱著這樣的初心和態(tài)度，且得到導(dǎo)師王伯根教授的充分認(rèn)可與勉勵(lì)后，王銳走出國(guó)門，遠(yuǎn)赴美國(guó)休斯頓大學(xué)德州超導(dǎo)中心從事博士后研究，揭開一頁(yè)事業(yè)新篇。

“析量子之理”

“我們渴望探索空間紋理的細(xì)微之處，探索宇宙的起源、時(shí)間的本質(zhì)及思維的運(yùn)行。在人類已知的最前沿，我們將繼續(xù)航行于未知的大海，因?yàn)槭澜绲膴W秘與美麗仍在熠熠生輝，令人目眩神迷?！边@是王銳與學(xué)術(shù)知己——美國(guó)麻省大學(xué)提格蘭·塞德拉基安（Tigran Sedrakyan）教授的共同信念，也是促成二者合作的本源動(dòng)力。

2017年，王銳與塞德拉基安教授進(jìn)行了為期兩個(gè)月的學(xué)術(shù)交流。在這一時(shí)期，王銳已經(jīng)意識(shí)到是時(shí)候嘗試做出自己的原創(chuàng)理論，也立志解決領(lǐng)域內(nèi)存在的一些痛難點(diǎn)問題。巧合的是，二人一見如故，連想法也是出奇的契合。于是在一番闊步高談下，王銳確定了一個(gè)重要的研究方向，即構(gòu)建關(guān)聯(lián)拓?fù)湫虻囊话阈岳碚?。在凝聚態(tài)理論中，傳統(tǒng)的有序態(tài)可以用朗道的對(duì)稱破缺理論給出相對(duì)統(tǒng)一的理論描述，然而對(duì)于復(fù)雜的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中的拓?fù)湫?，學(xué)界仍然缺乏統(tǒng)一的普遍認(rèn)識(shí)?！暗粢詷?gòu)建一個(gè)全新的框架性理論作為目的，顯然是一個(gè)極其遙遠(yuǎn)甚至有些不切實(shí)際的想法，那么就從小處著眼，從眼下做起?！蓖蹁J如此考慮。

經(jīng)過連續(xù)兩個(gè)月的“頭腦風(fēng)暴”，王銳和塞德拉基安教授初步確立了研究思路。對(duì)于這次嘗試，王銳將其評(píng)價(jià)為“不計(jì)成敗”，“成功了可以提升自己的科研信心，失敗了也可汲取教訓(xùn)，更加接近真理”。他們最終以量子磁性系統(tǒng)作為切入點(diǎn)嘗試構(gòu)建關(guān)聯(lián)拓?fù)湫虻男吕碚撁枋?，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)6年，目前已發(fā)展出一套基于陳-西蒙斯場(chǎng)論的理論方法。

其間，王銳的奮行腳步還涉及上海交通大學(xué)，不過最終，他還是選擇回歸南京大學(xué)，在熟悉的土地上耕耘著自己決意守護(hù)的事業(yè)，繼續(xù)書寫自己對(duì)物理學(xué)的期待與追求。值得一提的是，在這6年間，王銳還收獲了自己人生中第一篇發(fā)表于《自然》（Nature）的學(xué)術(shù)文章。這篇文章記錄著由南京大學(xué)（王銳副教授、杜靈杰教授、王伯根教授）、美國(guó)麻省大學(xué)艾姆赫斯特分校（提格蘭·塞德拉基安副教授）、北京大學(xué)（杜瑞瑞教授）組成的合作團(tuán)隊(duì)在電子-空穴關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中激子拓?fù)湫虻难芯恐腥〉玫闹匾M(jìn)展——成果不僅在理論上提出了關(guān)聯(lián)激子由于阻挫效應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)量子漲落所產(chǎn)生的玻色子拓?fù)湫虻男聶C(jī)制，也在實(shí)驗(yàn)上觀察到了電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中通過激子形成的時(shí)間反演對(duì)稱破缺的新型拓?fù)鋺B(tài)，創(chuàng)新性地揭示了激子系統(tǒng)中的玻色子拓?fù)湫颉?/p>

拓?fù)湫蚋拍畹慕⒑艽蟪潭壬鲜艿搅朔謹(jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的啟發(fā)，這也是當(dāng)代凝聚態(tài)物理的前沿研究熱點(diǎn)之一。相關(guān)成果早在1998年就斬獲過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，其在未來(lái)的拓?fù)淞孔佑?jì)算方面仍具有應(yīng)用的巨大潛力。但這之中始終存在一個(gè)懸而未決的問題：能否在相互作用玻色子系統(tǒng)中產(chǎn)生具有拓?fù)湫虻姆謹(jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。人們?cè)鴩L試在冷原子系統(tǒng)中進(jìn)行研究，但仍不得要領(lǐng)。于是，在充分深研了關(guān)于阻挫自旋模型理論研究后，一個(gè)突破性的實(shí)驗(yàn)想法逐漸成型于王銳腦海之中：當(dāng)自旋系統(tǒng)中的硬核玻色子具有一圈高度簡(jiǎn)并的能帶（稱為“moat能帶”），相互作用的玻色子便會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的動(dòng)能阻挫，使得系統(tǒng)不能發(fā)生傳統(tǒng)的玻色凝聚，而是形成具有拓?fù)湫虻氖终髯孕后w。

凝聚態(tài)物理理論中，電子和空穴可以發(fā)生配對(duì)，產(chǎn)生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反轉(zhuǎn)型量子阱可以提供研究激子基態(tài)的可控平臺(tái)。當(dāng)電子和空穴濃度不平衡時(shí)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的激子具有moat型能帶。強(qiáng)阻挫效應(yīng)使得激子不發(fā)生玻色凝聚，進(jìn)而產(chǎn)生一類具有長(zhǎng)程量子糾纏的激子拓?fù)湫?，其物理圖像等價(jià)于激子形成的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。而在實(shí)驗(yàn)方面，王銳團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在電子和空穴濃度很不平衡的門電壓區(qū)域內(nèi)，激子體態(tài)始終保持絕緣且存在著能隙。在這一區(qū)域內(nèi)，輸運(yùn)測(cè)量揭示了體系存在著拓?fù)溥吘墤B(tài)，產(chǎn)生了一個(gè)拓?fù)浼ぷ咏^緣區(qū)。神奇的是，隨著垂直磁場(chǎng)的增加，邊緣態(tài)輸運(yùn)行為從零磁場(chǎng)下的類螺旋型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂终餍?；最終在強(qiáng)磁場(chǎng)下，邊緣態(tài)電導(dǎo)接近量子化值。這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)可謂大相徑庭，同時(shí)其磁阻行為也區(qū)別于量子自旋霍爾效應(yīng)，已無(wú)法用已知的拓?fù)湮飸B(tài)來(lái)解釋和描述，但激子拓?fù)湫騾s可以。

與量子自旋霍爾效應(yīng)不同，激子拓?fù)湫驘o(wú)需時(shí)間反演對(duì)稱的保護(hù)，在垂直磁場(chǎng)下這一對(duì)邊緣態(tài)不會(huì)打開能隙，而是在實(shí)空間分離，導(dǎo)致向類手征型輸運(yùn)轉(zhuǎn)變，從而揭示出一種新型的玻色子（激子）分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，不僅可以豐富傳統(tǒng)的激子凝聚相圖，也開辟了關(guān)聯(lián)玻色子系統(tǒng)中拓?fù)湮飸B(tài)研究的新方向。

然而，在王銳的描述中，這一突破性成果差點(diǎn)“夭折”，原因在于團(tuán)隊(duì)似乎走到了“無(wú)人之處”，正如《自然》（Nature）工作人員長(zhǎng)達(dá)3頁(yè)紙的首次返稿意見所說(shuō)：“領(lǐng)域內(nèi)的研究一直在進(jìn)步，但還沒有人得出和你們推演相同的結(jié)論，其間還有許多問題需要進(jìn)一步被解釋?！敝t虛地接受，再自信地給予，面對(duì)真誠(chéng)的建議與疑問，王銳團(tuán)隊(duì)將成百上千個(gè)日夜的打磨與論證通通寫進(jìn)了百頁(yè)紙的回復(fù)里，最終獲得了評(píng)委的一致青睞與認(rèn)同。但王銳卻決不會(huì)留戀榮譽(yù)，相反，“析萬(wàn)物之理，創(chuàng)自我理論”的燈塔仍佇立、閃亮在他心里，助他無(wú)論何時(shí)都平心靜氣，腳踏實(shí)地。

“秉精神內(nèi)核”

十?dāng)?shù)年前，“數(shù)學(xué)隱士”佩雷爾曼拒絕接受菲爾茨獎(jiǎng)，這不是他傲慢的體現(xiàn)，反而正是他潛心研究、淡泊名利的終極奧義；十?dāng)?shù)年后，作為佩雷爾曼的“粉絲”，王銳雖謙遜稱自己無(wú)法達(dá)到大師級(jí)別的超凡脫俗，但也只會(huì)將獎(jiǎng)項(xiàng)視為對(duì)過往工作的獎(jiǎng)勵(lì)，并不會(huì)影響自己的科研心態(tài)與精神內(nèi)核。

“我是一個(gè)不愛追熱點(diǎn)的人。”無(wú)論科研還是生活，王銳都是如此。從他一心撲在強(qiáng)關(guān)聯(lián)與拓?fù)鋯栴}上便有所感知。近日，基于從前的科研成果，無(wú)論是演生近藤效應(yīng)的新機(jī)制，還是雜質(zhì)態(tài)和拓?fù)鋺B(tài)之間的相互聯(lián)系，都令王銳深覺強(qiáng)關(guān)聯(lián)和拓?fù)渖疃冉Y(jié)合的路徑上仍存許多荊棘，他也因此不得不重新審視關(guān)聯(lián)拓?fù)湮飸B(tài)的系統(tǒng)性理論方法、探測(cè)或表征多體系統(tǒng)拓?fù)湫再|(zhì)的手段等關(guān)鍵問題。而國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目“強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的基本理論”就是他審視過后的一次全新試煉，也是探索新路徑的絕佳平臺(tái)。因此，在項(xiàng)目如火如荼進(jìn)行著的歲月里，王銳始終樂此不疲，但對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)，要看到學(xué)術(shù)的“桃花源”卻并不容易，天分、努力、運(yùn)氣可能是幫手也可能是“對(duì)手”。不過舉步入荒徑，只為少人行，在王銳的概念里，即便物理世界“初極狹”，只要“肯復(fù)行”，也終得豁然開朗、柳暗花明。