深夜的实验室里，超高真空系统仍在稳定运行。屏幕上，一幅只有几个纳米尺度的电子结构图像缓缓显现。为了捕捉这一瞬间的量子信号，科研人员往往需要连续数十小时保持系统稳定。在很多人看来，这样的研究距离现实生活很遥远。但在杜轶和他团队成员的眼中，人类未来很多关键技术的源头，恰恰就隐藏在这些微观尺度的基础科学问题之中。
基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。4月30日，习近平总书记在上海出席加强基础研究座谈会并发表重要讲话指出，要以更大力度、更实举措加强基础研究，提升我国原始创新能力，进一步打牢科技强国建设根基。
在北京航空航天大学物理学院，有这样一支长期扎根基础研究前沿的科研团队：他们面向国家重大需求，聚焦量子科学与基础物理领域关键问题，在二维量子物质、先进量子测量与自主高端科学仪器等方向持续开展原创探索；他们既研究原子尺度下物质世界运行的基本规律，也致力于推动高端科研仪器自主可控；他们把实验室建成创新课堂，让青年学生在探索未知中成长。这支团队，就是杜轶带领的表面物理与量子物质课题组。
杜轶指导本科学生合成低维量子材料样品前驱体
扎根量子科学前沿，探索基础学科“源头问题”
量子科学是当代基础研究最活跃、最具颠覆潜力的前沿领域之一。未来信息技术、先进制造、智能传感乃至国家安全等领域的发展，都与量子科学密切相关。
“真正改变未来的，往往不是某一项单独技术，而是人类对自然规律认识的突破。”杜轶说。
长期以来，课题组始终坚持“四个面向”，围绕国家在量子科技、高端科学仪器、先进材料以及未来信息技术等领域的重大需求，扎根量子科学与基础物理研究前沿，持续开展原创性探索。团队长期聚焦二维量子物质中电子、自旋、轨道与晶格自由度之间的复杂耦合规律，重点研究新型量子态形成机制、拓扑量子行为以及非平衡量子现象等国际前沿问题。
通俗地讲，他们的工作，就是“观察”和“理解”原子尺度下物质世界如何运行。在一些只有几个原子厚度的二维体系中，电子可能形成特殊的拓扑结构、自旋排列甚至全新的量子态。这些微观尺度上的奇异现象，既是国际基础研究的重要前沿，也可能成为未来量子器件、低功耗量子芯片、新型存储和智能传感技术的重要科学基础。
围绕这些“从0到1”的原创科学问题，团队逐步建立了“科学问题牵引—量子态发现—极限测量验证—理论机制解析”协同研究体系，持续推动基础研究从“发现新现象”向“揭示新规律”深化。为支撑前沿量子科学研究，团队自主建设了包括分子束外延（MBE）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、角分辨光电子能谱（ARPES）等在内的先进实验平台，逐步形成覆盖材料制备、原位调控、超高真空测量以及低温强磁场研究的一体化实验平台体系。与此同时，团队积极推动量子科学与精密仪器、材料、电子、人工智能等方向交叉融合，探索基础研究与自主高端科学仪器协同发展的创新路径。
“表面物理与量子物质”课题组
近年来，北京航空航天大学持续加大对基础学科和前沿交叉领域的投入力度，设立北航“十大科学问题”专项，推动数学、物理学、化学等基础学科与空天科技、信息、材料、仪器等方向深度融合，一批面向未来科技前沿的基础研究方向快速成长。在杜轶看来，基础研究的长期积累，正在成为学校未来科技创新能力的重要源泉。“很多真正具有战略意义的技术突破，最终都离不开基础学科的发展。”他说。
聚力自主可控，在量子物质与高端仪器领域持续实现原创突破
近年来，杜轶课题组围绕二维量子物质与先进量子测量取得了一系列具有原创性的科研成果，在新型量子态调控、关联量子行为以及高端科学仪器自主研发等方面持续实现突破。围绕量子科学中的关键基础问题，团队长期聚焦拓扑量子物质、二维磁性与多铁性等国际前沿方向，探索原子尺度结构如何影响电子运动规律以及量子态形成机制。研究发现，在一些特殊量子物质中，仅仅改变极其微小的原子排列或化学组成，就可能引发电子行为和物理性质的显著变化，甚至形成全新的量子态。这种“微观结构决定宏观功能”的规律，是当前量子科学中的重要前沿问题之一。
在拓扑量子物质研究方面，团队围绕低维体系中的特殊电子态与拓扑行为开展系统研究，希望揭示电子如何在复杂量子环境中形成新的有序规律，为未来量子信息与新型电子学发展提供了新的科学思路。在关联量子态研究方向，团队重点研究低维体系中自旋、电荷与晶格之间的耦合行为，探索复杂量子结构在外场调控下的演化规律，对未来低功耗信息存储、新型量子器件以及下一代量子功能材料研究具有重要意义。相关研究成果发表于包括Nature系列、Science系列和Physical Review Letters等国际高水平学术期刊上。
除了基础物理问题，课题组还高度重视高端科研仪器自主研发。长期以来，高分辨扫描探针仪器等高端设备在一定程度上依赖进口。围绕国家高端科学仪器自主可控需求，团队持续开展先进扫描探针系统与核心部件的自主研发工作。
团队重点推进国产化原子力显微镜与扫描隧道显微镜关键技术攻关，在高稳定性控制、高灵敏度探测、复杂环境适应等方面持续开展研究。在长期科研攻关过程中，团队还持续推动先进扫描探针技术向复杂环境与实际应用场景延伸。围绕极端环境、高精度原位测量以及多功能耦合表征需求，开展了多环境扫描探针显微镜系统研发，逐步突破超高真空、低温、磁场环境以及多物理场耦合测量等关键技术。相关研究不仅提升了我国在原子尺度精密测量领域的自主能力，也推动部分自主研发设备实现工程化应用。团队联合产业力量推进高端扫描探针系统国产化，在先进材料、微纳器件、半导体检测以及极端环境精密测量等方向形成了良好的应用基础。在团队看来，高端科学仪器不仅是开展基础研究的重要工具，本身也是国家科技创新能力的重要体现。
杜轶在操作超高真空量子物性表征设备
“很多重大原创成果的背后，往往首先是测量能力和实验手段的突破。”团队成员冯海凤副教授说。
与此同时，团队积极建设自主实验平台体系，逐步形成覆盖材料生长、原位表征、超高真空测量与低温强磁场调控的一体化平台能力。相关平台不仅服务于课题组科研工作，也向校内外多个团队开放共享，成为学校开展量子物质与先进测量研究的重要支撑平台。
从基础问题中培养创新能力，让青年学生在探索未知中成长
“真正的基础研究，往往始于一句最简单的追问：‘为什么会这样？’”这是杜轶经常对学生说的一句话。作为高校基础研究团队，课题组始终坚持“科研育人、科教融通”的理念，将立德树人贯穿于基础研究全过程，努力培养具有家国情怀、原始创新能力和国际视野的青年科技人才。
团队认为，基础研究不仅是科技创新的源头活水，更决定着一个国家未来科技体系的深度与高度。物理学作为自然科学的重要基础学科，承担着认识世界、发现规律、孕育技术的重要使命。许多改变世界的重大技术突破，最初往往都来源于一个看似“无用”的基础科学问题。因此，在课题组的人才培养中，“激发问题意识”始终比“灌输标准答案”更加重要。
围绕二维量子物质、量子磁性与先进扫描探针技术等国际前沿方向，团队鼓励本科生尽早进入科研现场，在真实科学问题中建立科研兴趣。很多学生第一次通过扫描探针显微镜看到原子尺度的表面结构时，都会被微观世界真实存在的秩序与复杂性所震撼。
“原来人类真的能够看到原子。”这是许多学生进入实验室后的第一感受。而这种“看见”，恰恰成为了很多青年学生走向基础研究的起点。在培养模式上，团队建立了“基础课程-科研训练-创新实践”贯通式培养体系。本科生不仅能够在课程中学习量子物理、表面物理等基础理论，还能够直接参与高端科研仪器研发和前沿实验研究。在一些项目中，本科生已经深度参与扫描隧道显微镜、原子力显微镜核心模块研发，包括控制系统、测量架构以及原位谱学功能开发等关键工作。这种以问题为导向、以兴趣为牵引的人才培养模式，也逐渐形成了浓厚的创新氛围。
近年来，团队学生围绕扫描探针显微镜国产化、自主高端科研仪器研发、二维量子物质调控等方向开展攻关研究，在全国大学生科技创新赛事中取得突出成绩。其中，团队连续获得第十六届、第十八届、第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖，实现了基础研究团队在高水平学生科技创新竞赛中的持续突破。相关项目聚焦扫描探针显微镜关键核心技术、自主测量系统开发以及低维量子物质原位表征等方向，不少成果已经实现从实验室原型到实际系统验证的跨越。
三次斩获全国“挑战杯”主赛道数理组特等奖
团队指导学生获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛北京赛区一等奖、北京市大学生物理实验竞赛一等奖等多项国家级和省部级奖励。一批本科生和研究生逐步成长为二维量子物质与先进量子测量领域的青年科研骨干。
课题组认为，基础研究的价值不仅在于回答今天的问题，更在于定义未来的问题，而基础学科人才培养的重要意义，也不仅是培养“会做实验的人”，更是培养敢于探索未知、能够引领未来科技方向的人。
面向未来，让更多原创成果从实验室走向国家重大需求
面向未来，杜轶课题组将继续围绕国家重大科技需求，坚持基础研究与关键核心技术协同发展，进一步加强二维量子物质、量子精密测量与高端科学仪器等方向布局。团队将持续深化与国内外高校、科研机构的合作交流，积极推动国际联合研究与青年人才培养，努力构建开放协同的科研创新网络，进一步突破原子尺度量子调控与自主高端仪器核心技术，推动更多原创成果从实验室走向国家重大需求场景，为我国实现高水平科技自立自强贡献更多基础研究力量。
杜轶，北京航空航天大学物理学院教授 博士生导师
物理学院副院长，国家级青年人才，北京市领军人才，长期从事表面与低维物理、量子物质与量子精密测量技术研究。聚焦低维量子物质调控机理与自主高端仪器研发，在国际高水平期刊发表多项原创成果，持续推动基础科研创新与人才培养深度融合。
（素材来源：物理学院）
（审核：李建伟）
编辑：贾爱平
