维也纳工业大学的一项实验正在颠覆物理学家对电子的基本认知。在一种由铈、钌和锡组成的奇特化合物中，研究人员发现电子完全失去了粒子特性，不再像微小球体那样在材料中运动。但令人震惊的是，这种材料依然展现出拓扑物态，而这种特性原本被认为必须依赖于电子的粒子行为。
这一发现不仅挑战了物理学的传统图景，还揭示了量子世界中更深层的规律。拓扑物态的发现曾荣获2016年诺贝尔物理学奖，其应用前景涵盖量子计算、先进传感器和无磁场电流控制等领域。如今，科学家意识到这些奇异状态比想象中更加普遍，也更加基础。
粒子图像的崩溃与重生
长期以来，物理学家用一种简化但有效的方式描述电子。尽管量子力学告诉我们电子更像波而非固体，无法精确确定其位置，但在大多数情况下，科学家仍然可以将它们想象成以特定速度在空间中运动的微小粒子。这种描述在解释金属中的电流时非常有效，电子就像微小的载流子，受电磁力推动并在运动中改变方向。
维也纳工业大学固体物理研究所的西尔克·比勒-帕申教授指出，这种经典图像出人意料地稳健。经过一些改进，即使在电子之间相互作用强烈的复杂材料中，粒子模型依然适用。但在极端条件下，这种描述会彻底失效。
研究团队将目光投向了一种名为CeRu₄Sn₆的化合物。在接近绝对零度的极低温下，这种材料表现出量子临界行为，仿佛在两种不同状态之间疯狂波动，无法决定自己想要处于哪一种状态。论文第一作者戴安娜·基尔施鲍姆解释说，在这种波动状态下，准粒子图像被认为彻底失去了意义。电子不再具有明确的速度和能量，传统的粒子描述完全崩溃。
理论预测显示，这种材料应该具有拓扑态。但这造成了一个令人困惑的矛盾，因为过去的拓扑理论都假设粒子具有明确的运动。这些理论依赖于粒子拥有确定速度和能量的前提，而这正是量子临界材料中不存在的。
拓扑学的更深层本质
拓扑学源于数学，用于区分某些无法通过连续变形相互转化的几何结构。面包卷可以变形为苹果，但无法变成甜甜圈，因为甜甜圈有一个孔。物理学家用类似理念描述物质状态，粒子的能量、速度和自旋相对于运动方向等属性都可以遵循严格的几何规律。这些规律极其稳定，材料中的微小缺陷无法抹去它们，就像形状的微小变化无法将甜甜圈变成苹果。
一种奇特的量子材料揭示了一个惊人的秘密：电子不再像粒子那样运动，拓扑态可以在没有粒子的情况下存在。这一发现表明，拓扑比科学家们以往想象的更加基础，也更加普遍。图片来源：AI/ScienceDaily.com
由于这种稳定性，拓扑效应被认为是实现量子数据存储和先进技术的理想选择。2016年诺贝尔物理学奖授予了大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨，表彰他们在拓扑相变和拓扑物态方面的理论发现。
尽管理论与实际之间存在矛盾，好奇心最终战胜了恐惧。戴安娜·基尔施鲍姆开始寻找拓扑学的实验证据。在低于绝对零度一度的温度下，她观察到了清晰的信号。这种材料表现出自发反常霍尔效应，载流子在没有任何外部磁场的情况下发生偏转。这种现象源于材料的拓扑性质，但更令人惊讶的是，尽管粒子图像并不适用，载流子却表现得如同粒子一般。
技术应用的新视野
西尔克·比勒-帕申表示，这是一个巨大的惊喜。拓扑状态应该用更广义的术语来定义，生成拓扑性质并不需要粒子图像。这个概念可以推广，拓扑区别会以更抽象、更数学的方式呈现。实验证明，即使不存在粒子态，拓扑性质也可能出现。
研究人员将新发现的相描述为涌现的拓扑半金属。他们与德克萨斯州莱斯大学合作，该校教授司启淼的研究团队成员雷晨建立了理论模型，成功将量子临界性与拓扑学联系起来。实验还显示，拓扑效应在材料波动最大的地方最为显著，当波动被压力或磁场抑制时，拓扑性质就会消失。
这项发现具有实际意义。它提出了寻找拓扑材料的新方法，即聚焦于展现量子临界行为的系统。量子临界行为存在于许多类型的材料中，可以被可靠识别，这种联系可能有助于发现许多新的涌现拓扑材料。比勒-帕申说，在量子临界材料中寻找拓扑性质尤其值得，因为这可能开辟发现新型量子材料的全新路径，为未来技术应用奠定基础。
这项研究表明，物理学的根本概念仍有待重新审视。当常识被打破时，往往意味着更深层规律的显现。
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