王锐 | 深研凝聚态物理，于无人处更进一步

抬头望，星空总是静谧深邃又复杂多变，其中既有“星垂平野阔，月涌大江流”的雄浑开阔，亦含“醉后不知天在水，满船清梦压星河”的柔美沉醉，还有“纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗度”的情丝期盼……但若要厘清星芒之间暗含的理学规律，将思想的边界延伸至远方，还要依靠“析万物之理，判天地之美”的物理学。

▲完成自己人生中第一篇《自然》杂志论文期间，王锐在海边思考

物理学当然是美的，它熠熠生辉地闪耀在对原初想法的锻造中。身处其中的人越是向前触及科学的前沿，接近人类认知能够抵达的边界，越会觉得自己眼前风光旖旎，流连忘返。也正因如此，南京大学物理学院副教授王锐才会将自己人生的航船义无反顾地驶向物理学凝聚态理论的学海之中，且始终不改初心，在一次次直觉和尝试里将对理学智慧的热爱诉说，在那些与失败擦肩而过的境遇里，也能保持着严谨的科学思维去探究星辰大海宇宙苍穹的秘密，追寻万事万物的本质。

“窥上帝奥秘”

对少时的王锐来讲，物理有形——它既可以是父亲口中每一件“奇闻异事”，也可以是纪录片中一幅幅瑰丽画卷，更可以是课堂上一道道百思不得其解的谜题，发人深省又引人入胜，好像掌握了其间原理就可“一窥上帝的秘密”。正因如此，他肯将几乎全部精力都用来解题、“描画”与拆解事件机理。但他渐渐发现，仅靠学习、研究表象其实无法靠近物理学的真谛，因为物理学最终所要探究和描述的是万物的本质与世界的规律。由此，他只得加倍努力，并在十几岁的年纪就暗自立下了要成为物理学家的美好期许。

世界上最幸运的事情之一，莫过于一个人的天赋、兴趣与努力高度统一还互成正比。在通往梦想的路上，王锐很快就觉察到教材中的寥寥数语已经满足不了他的一片好奇之心，所以他开始自学。从高中到大学、从物理到数学，他看过的理学专业书数量远超自己的同龄人，心甘情愿地让自己的课余时间被学术占据。但出人意料的是，高考的失常发挥与文科学科上的不足让他与预期院校失之交臂，但他仍然秉持着对物理的坚持，尽管身边不断有亲友、老师尝试劝导他填报金融、计算机等热门专业，理由是物理学是纯理论学科，知识点相对枯燥，就业前景也不甚明确……但王锐却斩钉截铁，“我一定要报考理论物理专业，其他事情我不在乎”。而这份笃定背后，也饱含着父母的有力支持，“他们的鼓励让我在坚定选择的同时也鞭策自己，要在科研的道路上做出原创性理论，这才不算辜负他们的期待”。

言出必践，一份年少意气却成为王锐此后几十年的奋斗目标，从本科到研究生，不变的是他如鲸向海般奔向物理学蓝海的赤诚，但他的行事风格、思想维度却变得越来越丰富、越来越沉稳。

初入大学校园时，王锐心中只有一个感受——自由。暂时脱离了“全面发展”的规训，晨读晚课的记忆也逐渐淡化于“昨天”……他可以只想自己所想、只学自己爱学。于是，他开始常常泡在图书馆里，与庞加莱、希尔伯特、佩雷尔曼等巨匠“对话”，在高等代数、群论、量子力学的世界里共情着先人的悲喜，“那真的是非常充实和纯粹的一段日子，我漫无目的地看各种书，非线性物理、混沌、量子信息、量子计算等方面的知识都非常吸引我”。在导师曹天德教授的教导下，他越发认识到物理学中充满了一个个“惊世骇俗”的理论，它将宇宙做了惊人的简化，例如空间不再是一种有别于物质的东西，而是构成世界的“物质”成分之一，一种可以波动、弯曲、变形的实体……越是深入了解，王锐的兴趣就越被激发，而当他开始急于投入研究，却得到了导师的劝解：“不要执着于一时成绩，沉下心去。只有将基础打牢，厚培科学土壤，才能开出创新之花。”

巧合的是，当王锐以南京大学理论物理专业第一的成绩被南京大学物理学院录取之后，其研究生导师王伯根教授也对他说了几乎相同的话。王锐很清楚，这是导师们的人生积淀，也是对他优越物理天赋的爱护与珍惜。所以，他彻底摒弃了“急于求成”的心态，坚信蔓蔓日茂，早开者荣，晚开者亦荣，只要保持“扶摇直上九万里”的劲头，主动把一件件小事做好，终能积小胜为大胜、积跬步至千里。在身边几乎所有同学都泡在实验室，或是埋头构思论文忙于毕业事宜时，王锐仍然不知疲倦地沉浸在理论物理基础知识的学习中。他花了近两年时间把基础却艰深的理论课程重新进行了学习与梳理，其中包括量子场论、重整化群、量子多体理论及数学方面的代数拓扑等方面的知识。“回忆起来，这两年时间仿佛为自己建立起了一套完整的理论框架，学会了‘在水中游泳却不下沉’的本领，就等着到波涛汹涌的地方试炼自己。”

在王锐的殷殷期待中，博士阶段的他跟随导师正式走入科研。事实证明，前期的充分积累发挥了重要作用，导师布置的课题他基本上1～2周内就可以得到最终结果，而且可以快速读懂前沿的艰深理论文献。但王锐却逐渐感受到自身认知上的空虚，“人类对世界的认知往往是片面的，必须通过不断研究、探索来修正对万事万物的理解”。怀抱着这样的初心和态度，且得到导师王伯根教授的充分认可与勉励后，王锐走出国门，远赴美国休斯顿大学德州超导中心从事博士后研究，揭开一页事业新篇。

“析量子之理”

“我们渴望探索空间纹理的细微之处，探索宇宙的起源、时间的本质及思维的运行。在人类已知的最前沿，我们将继续航行于未知的大海，因为世界的奥秘与美丽仍在熠熠生辉，令人目眩神迷。”这是王锐与学术知己——美国麻省大学提格兰·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动力。

▲王锐（左二）与上海交通大学物理天文学院同事合影

2017年，王锐与塞德拉基安教授进行了为期两个月的学术交流。在这一时期，王锐已经意识到是时候尝试做出自己的原创理论，也立志解决领域内存在的一些痛难点问题。巧合的是，二人一见如故，连想法也是出奇的契合。于是在一番阔步高谈下，王锐确定了一个重要的研究方向，即构建关联拓扑序的一般性理论。在凝聚态理论中，传统的有序态可以用朗道的对称破缺理论给出相对统一的理论描述，然而对于复杂的关联系统中的拓扑序，学界仍然缺乏统一的普遍认识。“但若以构建一个全新的框架性理论作为目的，显然是一个极其遥远甚至有些不切实际的想法，那么就从小处着眼，从眼下做起。”王锐如此考虑。

经过连续两个月的“头脑风暴”，王锐和塞德拉基安教授初步确立了研究思路。对于这次尝试，王锐将其评价为“不计成败”，“成功了可以提升自己的科研信心，失败了也可汲取教训，更加接近真理”。他们最终以量子磁性系统作为切入点尝试构建关联拓扑序的新理论描述，时间跨度长达6年，目前已发展出一套基于陈-西蒙斯场论的理论方法。

其间，王锐的奋行脚步还涉及上海交通大学，不过最终，他还是选择回归南京大学，在熟悉的土地上耕耘着自己决意守护的事业，继续书写自己对物理学的期待与追求。值得一提的是，在这6年间，王锐还收获了自己人生中第一篇发表于《自然》（Nature）的学术文章。这篇文章记录着由南京大学（王锐副教授、杜灵杰教授、王伯根教授）、美国麻省大学艾姆赫斯特分校（提格兰·塞德拉基安副教授）、北京大学（杜瑞瑞教授）组成的合作团队在电子-空穴关联系统中激子拓扑序的研究中取得的重要进展——成果不仅在理论上提出了关联激子由于阻挫效应导致强量子涨落所产生的玻色子拓扑序的新机制，也在实验上观察到了电子-空穴浓度不平衡的InAs/GaSb量子阱中通过激子形成的时间反演对称破缺的新型拓扑态，创新性地揭示了激子系统中的玻色子拓扑序。

拓扑序概念的建立很大程度上受到了分数量子霍尔效应的启发，这也是当代凝聚态物理的前沿研究热点之一。相关成果早在1998年就斩获过诺贝尔物理学奖，其在未来的拓扑量子计算方面仍具有应用的巨大潜力。但这之中始终存在一个悬而未决的问题：能否在相互作用玻色子系统中产生具有拓扑序的分数量子霍尔态。人们曾尝试在冷原子系统中进行研究，但仍不得要领。于是，在充分深研了关于阻挫自旋模型理论研究后，一个突破性的实验想法逐渐成型于王锐脑海之中：当自旋系统中的硬核玻色子具有一圈高度简并的能带（称为“moat能带”），相互作用的玻色子便会产生很强的动能阻挫，使得系统不能发生传统的玻色凝聚，而是形成具有拓扑序的手征自旋液体。

凝聚态物理理论中，电子和空穴可以发生配对，产生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反转型量子阱可以提供研究激子基态的可控平台。当电子和空穴浓度不平衡时，系统所产生的激子具有moat型能带。强阻挫效应使得激子不发生玻色凝聚，进而产生一类具有长程量子纠缠的激子拓扑序，其物理图像等价于激子形成的分数量子霍尔态。而在实验方面，王锐团队成员进一步发现，在电子和空穴浓度很不平衡的门电压区域内，激子体态始终保持绝缘且存在着能隙。在这一区域内，输运测量揭示了体系存在着拓扑边缘态，产生了一个拓扑激子绝缘区。神奇的是，随着垂直磁场的增加，边缘态输运行为从零磁场下的类螺旋型逐渐转变为类手征型；最终在强磁场下，边缘态电导接近量子化值。这一实验现象与传统的霍尔效应可谓大相径庭，同时其磁阻行为也区别于量子自旋霍尔效应，已无法用已知的拓扑物态来解释和描述，但激子拓扑序却可以。

与量子自旋霍尔效应不同，激子拓扑序无需时间反演对称的保护，在垂直磁场下这一对边缘态不会打开能隙，而是在实空间分离，导致向类手征型输运转变，从而揭示出一种新型的玻色子（激子）分数量子霍尔态，不仅可以丰富传统的激子凝聚相图，也开辟了关联玻色子系统中拓扑物态研究的新方向。

然而，在王锐的描述中，这一突破性成果差点“夭折”，原因在于团队似乎走到了“无人之处”，正如《自然》（Nature）工作人员长达3页纸的首次返稿意见所说：“领域内的研究一直在进步，但还没有人得出和你们推演相同的结论，其间还有许多问题需要进一步被解释。”谦虚地接受，再自信地给予，面对真诚的建议与疑问，王锐团队将成百上千个日夜的打磨与论证通通写进了百页纸的回复里，最终获得了评委的一致青睐与认同。但王锐却决不会留恋荣誉，相反，“析万物之理，创自我理论”的灯塔仍伫立、闪亮在他心里，助他无论何时都平心静气，脚踏实地。

“秉精神内核”

十数年前，“数学隐士”佩雷尔曼拒绝接受菲尔茨奖，这不是他傲慢的体现，反而正是他潜心研究、淡泊名利的终极奥义；十数年后，作为佩雷尔曼的“粉丝”，王锐虽谦逊称自己无法达到大师级别的超凡脱俗，但也只会将奖项视为对过往工作的奖励，并不会影响自己的科研心态与精神内核。

“我是一个不爱追热点的人。”无论科研还是生活，王锐都是如此。从他一心扑在强关联与拓扑问题上便有所感知。近日，基于从前的科研成果，无论是演生近藤效应的新机制，还是杂质态和拓扑态之间的相互联系，都令王锐深觉强关联和拓扑深度结合的路径上仍存许多荆棘，他也因此不得不重新审视关联拓扑物态的系统性理论方法、探测或表征多体系统拓扑性质的手段等关键问题。而国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“强关联系统的基本理论”就是他审视过后的一次全新试炼，也是探索新路径的绝佳平台。因此，在项目如火如荼进行着的岁月里，王锐始终乐此不疲，但对科研人员来说，要看到学术的“桃花源”却并不容易，天分、努力、运气可能是帮手也可能是“对手”。不过举步入荒径，只为少人行，在王锐的概念里，即便物理世界“初极狭”，只要“肯复行”，也终得豁然开朗、柳暗花明。