文 ｜ 卜金婷
2021年的一整年，刘俣都在经历失败。
这是刘俣在美国国家标准技术研究所（NIST）做博士后的第一年，他转换了研究方向。彼时，凭借“初生牛犊不怕虎”的干劲，刘俣一入门就接手了一个大难题：利用分子研究精密测量以及量子信息。
在这一过程中，团队成员需要实现对分子量子态的高精度控制。然而，分子始终无法保持在选定状态，这成了他们研究路上的“拦路虎”。从年初到年末，刘俣尝试了几种最有希望的方法来增强分子的可控性，结果纷纷失败。到最后，只剩下一种复杂且难度极高的方法。“如果再失败，就需要寻找新的研究课题了。”刘俣苦笑道。
没承想，最后一种谁也不看好的方法，竟然成功了！
近日，这一成果终于发表在Science杂志上。研究团队开发了一种高精度的量子态控制技术，可以在热环境中实现对分子离子量子态的精确操控。“90”后刘俣是该研究的第一作者兼通讯作者，如今已在美国马里兰大学担任助理教授。
刘俣
在博士后期间，刘俣的研究方向是分子离子的精密测量。用光学手段操纵分子以达到理想状态，是他主要的研究工作之一。
为什么选择研究分子？刘俣解释，相对于原子，分子有更复杂的电子运动，还具有原子核的相对振动以及分子的转动，这意味着研究分子能够带来更多的应用前景。
一开始，刘俣的目标是利用分子研究精密测量以及量子信息。但在这一过程中，研究团队发现，热辐射的光子会让分子的量子态发生跃迁，导致分子无法持续保持在选定状态。
这一技术难题让他们的研究一度陷入瓶颈。凭借多年的研究经验，刘俣深知让分子发生跃迁的“罪魁祸首”是热辐射。
那么，有什么方法可以消除环境对分子状态的影响呢？2021年，刘俣一直在思考这一颇具难度的问题。
在NIST期间，刘俣加入了知名的Ion Storage Group（离子存储课题组）。量子逻辑光谱学（quantum-logic spectroscopy，QLS）技术是NIST研究的重点之一，这项技术利用被激光冷却的原子离子，以及离子阱内共同存储的分子间的强耦合，来实现分子的平移运动冷却和量子态的非破坏性读取。
探测分子离子量子态的手段的示意图
于是，刘俣利用QLS技术很好地捕捉到分子的量子态，并成功地在室温超高真空环境中跟踪和控制了单个CaH+分子离子的状态演变。
在此基础上，研究团队通过实时观察分子的量子态，判断分子的状态是否发生了跃迁。“如果发现分子发生了跃迁，我们就立马用微波驱动的方式让分子回到原来的状态，这样就可以逆转这些‘跳跃’。”刘俣告诉《中国科学报》。
从真空仓之外看离子被捕获的区域
这项研究使分子停留在选定状态的时间提高了20倍，不仅在理论上具有创新性，而且在实验技术上也取得了重大进展，为量子信息处理以及分子动力探测提供了新的途径。
成功并非一蹴而就。
这是刘俣做博士后时期接手的首个项目。在此之前，刘俣尝试了最有希望的2种方法，结果均以失败告终。好在他的心态十分平和，“权当练手了”。
实际上，从本科到博士后的3个阶段，刘俣转换了2次方向。
2010年，刘俣来到美国内华达大学读本科。当时，他就读的专业是凝聚态物理。在刘俣眼里，虽然能做出一些有趣的东西，但由于实验的可控性太差，很多时候他并不理解为什么会产生各种奇特的现象，这导致他对凝聚态物理一直提不起兴趣。
于是，刘俣想探索更多的可能性。
大三时，刘俣开始和校内的其他导师做不同领域的实验。让他受益匪浅的是和David Shelton教授做的原子分子和光学物理领域（简称原分光）的物理实验。在Shelton“苏格拉底式”教学的影响下，刘俣成长迅速。“Shelton的教学方式很独特。如果你问他一个问题，他也会反问你一个问题，你回答后，他会再问你一个问题，通过这种方式让我找答案。”刘俣说。
从那时起，刘俣迷上了原分光领域，“一方面，原分光领域的实验可控性很强，我能知道这一步为什么会发生；另一方面，用物理的方式研究化学在未来的很长时间内都很‘吃香’”。
于是，本科毕业后，刘俣来到哈佛大学攻读原分光领域的博士，当时他的研究方向是分子间在超冷环境下的化学反应。
“但我不知道自己更喜欢什么样的研究方向，我还是想要再尝试一下。”2020年底，刘俣做博士后期间再一次转换研究方向：从研究超冷化学转换为分子离子的精密测量。
刘俣在实验室工作 摄影：Mark Sherwood
尽管每次转换赛道后，刘俣都需要从基础的实验开始学起，但他丝毫不感到疲倦。
2023年，刘俣博士后出站后来到马里兰大学担任助理教授。
在这里，刘俣的教学内容是给化学专业的学生上量子物理的课。作为新手老师，刘俣一开始非常苦恼：尽管在课堂上讲得十分细致和投入，但考试时学生们的成绩都“惨不忍睹”。究其原因，他发现很多学生数学不好导致算不出来物理题的答案。
因此，刘俣开始在物理课堂上穿插更多的数学知识，以此打造学生们的数学和物理基础。
“物理老师在化学课堂上给学生上数学课”，这个乍看有点奇怪的组合竟收获了意想不到的效果。谈及学生们的成长，刘俣有满满的自豪感：“半个学期后，学生们的平均分从四五十分涨到了七八十分。”
除了给本科生授课外，刘俣还指导3名和他同样是“90后”的博士生。
刘俣
由于学生们的经验少，往往一个简单的实验憋了好几天还没有头绪。刘俣看在眼里，急在心里。起初，他隔三差五就去实验室帮学生们做实验；后来，刘俣发现自己介入越多，学生们成长就越慢，下次遇到同样的问题还是不会。于是，他开始给自己做心理建设：“一定要让他们自己摸爬滚打，这样才会有所收获。”
慢慢地，刘俣开始效仿Shelton的“苏格拉底式”教学。当学生们再次遇到问题时，他鼓励学生们自己解决，像Shelton一样循循善诱，直到他们可以独立解决问题。“看到学生们从对一个方法毫无概念到可以利用这个方法熟练地做实验，我非常有成就感。”刘俣坦言。
晋升终身教授的道路往往是艰辛的，但刘俣有一套独特的方式缓解压力——不断学习。
谈及他的学习态度，刘俣表示深受父亲的影响。其实，早在2008年，刘俣就跟随父亲刘四平一同来到美国读高中。彼时，49岁的刘四平是武汉大学的外语系教授，他的工作是教大学英语，这意味着做研究的机会比较少。
为了能更好地研究外语教学技术，刘四平来到内华达大学攻读教育学博士，主要研究第二语言的学生如何更好地学习外语。值得一提的是，这几年的博士经历为刘四平之后返回武汉大学开辟新的第二语言教学课程奠定了基础，他的语言教学研究成果也在多个国际期刊上发表。
父亲刘四平博士毕业时刘俣和他的合影
“活到老，学到老”，从学习如何做实验到学习如何成为一名好老师，刘俣的学习之路从未停止。“新的环境总会给人造成一定的危机感，但是如果你有一颗好学的心，再难的事都能解决。”刘俣告诉《中国科学报》。
链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1001
编辑 | 方圆
排版 | 志海
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