一种全新的量子态：无需外磁场即可观测到反常霍尔效应

在接近绝对零度的极低温环境中，电子行为突破既有物理法则，科学家们发现了一种全新的量子态——无需外磁场即可观测到反常霍尔效应。这一颠覆性的物质状态，突破了学界数十年对电子行为的认知框架，为量子计算、传感技术和先进材料开辟了全新路径。

奥地利维也纳工业大学的研究人员与德州莱斯大学的理论物理学家合作完成这项突破。研究显示：即使在电子不再表现为具有明确速度与能量的可识别粒子时，拓扑态依然能够形成——这与长期以来的科学认知截然相反。

拓扑概念源于数学，用于描述物体在形变中保持不变的特性。在物理学中，拓扑材料因其异常稳定的电子行为备受重视，这种特性使其在低功耗电子器件与量子技术领域极具应用潜力。学界长期认为，这类状态的形成必须以电子表现为可识别粒子为前提，但最新实验证据推翻了这一观点。

突破电子行为规则

研究团队选用由铈、钌、锡组成的化合物（CeRu₄Sn₆），在比绝对零度高不足1度（0K/-273.15℃）的极低温环境中观测其特性。维也纳工业大学研究员、论文第一作者戴安娜·基希鲍姆指出，材料在接近绝对零度时表现出特定类型的量子临界行为：“材料在两种状态间不断涨落，仿佛无法决定采取何种形态。在这种涨落状态下，准粒子图像被认为失去了意义。”

研究团队在极低温下检测到以自发（反常）霍尔效应形式呈现的显著拓扑信号。通常情况下，霍尔效应需要磁场使载流子发生偏转，但本次实验中偏转现象在没有外磁场的情况下出现，这成为拓扑行为的明确标志。尽管传统粒子模型在此材料中不再适用，载流子仍表现出类似粒子的行为。

令人惊讶的是，该效应在量子涨落最剧烈处表现最强。“当涨落被压力或磁场抑制时，拓扑特性就会消失。”基希鲍姆补充道。

新型量子态诞生

维也纳工业大学物理学教授、博士西尔克·比勒-帕申表示，这一结果令人震惊，它表明拓扑态需要更广义的定义。“实际上，产生拓扑特性并不需要粒子图像，”她在声明中指出，“这个概念确实可以被推广——拓扑差异会以更抽象的数学形式显现。”

实验进一步表明，拓扑特性甚至可以在缺乏类粒子状态时出现。这种被研究团队命名为“涌现拓扑半金属”的新状态，也获得了与德州莱斯大学合作理论研究的支持。莱斯大学物理学与天文学教授齐苗思博士研究组成员、论文共同第一作者陈磊（音）建立了连接量子临界性与拓扑特性的新模型。

“通过融合这两个领域，我们踏入了未知疆域，”陈磊在新闻稿中表示，“我们惊讶地发现量子临界性本身就能产生拓扑行为，尤其在强相互作用环境中。”

科学家指出，这项发现为寻找新型拓扑材料提供了实用路线图。量子临界行为已在多类化合物中被发现，且相对容易通过实验识别。“明确搜索目标后，我们能更系统地探索这一现象，”齐苗思总结道，“这不仅是理论洞见，更是朝着开发运用量子物理最深层原理的实用技术迈出的关键一步。”

该研究成果已发表于《自然·物理学》期刊。

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