绝对零度下,科学家看到了不该存在的东西

2026年,维也纳工业大学的物理学家捅出了一个大篓子。

他们在一种量子材料里发现了一种此前被认为"不可能存在"的物质状态。这个发现直接挑战了2016年诺贝尔物理学奖的理论基础,也让整个物理学界开始重新审视一个基本问题:

电子,到底是不是粒子?

这听起来像个哲学问题,但它关系到量子计算、暗物质探测、新型传感器,甚至是未来科技的方向。而维也纳团队的发现告诉我们:我们对物质的理解,可能从根子上就错了。

粒子图像:一个意外坚挺的错误

物理学有个基本假设:电子是粒子。

当我们描述电流如何在金属中流动时,脑子里想的是无数个小球在材料里飞奔,被电磁场加速或偏转。这个图景简单直观,而且惊人地好用。

甚至更现代的理论,比如2016年诺贝尔奖表彰的拓扑态理论,也建立在这个粒子图景之上。拓扑态的核心概念是:粒子的速度、能量,甚至自旋方向和运动方向的关系,都遵循特定的几何规则。

"用拓扑来描述粒子行为看起来很抽象,但传统理论仍然间接依赖经典的粒子图景,"维也纳工业大学固体物理研究所的西尔克·比勒-帕申教授说,"这些理论假设我们描述的对象具有明确的速度和能量。"

问题是,有些材料根本不满足这个假设。

在这些材料里,粒子图景彻底崩溃。你无法再把电子想象成具有明确位置或速度的小球,因为量子力学告诉我们,粒子的行为像波,它们的位置本质上是不确定的。

而维也纳团队研究的材料,恰恰属于这一类。

一种在两个状态之间疯狂摇摆的材料

这种材料由铈、钌和锡组成,化学式是CeRu₄Sn₆。

当温度降到接近绝对零度时,这种材料展现出一种奇特的"量子临界行为"。简单说,就是它在两个不同的状态之间疯狂摇摆,就像无法决定自己到底想成为什么。

"在这种波动状态下,准粒子图景被认为失去了意义,"论文第一作者戴安娜·基尔施鲍姆说。

准粒子是物理学家为了描述复杂系统而发明的概念。在普通材料里,电子虽然相互作用复杂,但仍然可以近似看作独立运动的"准粒子"。这让我们能继续用粒子图景来理解材料。

但在CeRu₄Sn₆里,这套把戏不灵了。材料处于量子临界态,电子的行为完全无法用粒子来描述。按照传统理论,这种材料不应该有任何拓扑性质,因为拓扑态需要粒子图景作为基础。

然而,理论物理学家通过计算预测:这种材料应该具有拓扑态。

这就形成了一个明显的矛盾。

一次好奇心驱动的赌博

面对这个矛盾,比勒-帕申团队一开始很犹豫。

理论预测和实验常识相互冲突。按照常识,一个连粒子图景都不成立的材料,怎么可能有拓扑性质?去验证这个预测,很可能是浪费时间。

但最终,好奇心战胜了谨慎。

戴安娜·基尔施鲍姆开始寻找拓扑态的实验证据。她把材料冷却到距离绝对零度不到1度的极低温,然后观察它的电学性质。

结果让所有人震惊。

她观察到了一种明确指向拓扑态存在的现象:自发霍尔效应。

霍尔效应是这样的:通常情况下,电流在磁场中会被偏转。但在拓扑材料中,即使没有外加磁场,电流也会自发偏转。这是拓扑性质的标志性特征。

在CeRu₄Sn₆里,霍尔效应清晰可见。

更诡异的是:电荷载流子的行为就像粒子,尽管粒子图景在这种材料里已经失效了。

"这是让我们能够毫无疑问地证明现有观点必须修正的关键洞察,"比勒-帕申说。

波动越剧烈,拓扑效应越强

更让人震惊的发现还在后面。

基尔施鲍姆发现,拓扑效应最强的地方,恰恰是材料波动最剧烈的地方。当用压力或磁场抑制这种波动时,拓扑性质反而消失了。

这完全颠覆了物理学家的直觉。

按照传统理论,拓扑态应该在材料处于稳定、有序状态时出现。但CeRu₄Sn₆告诉我们:拓扑态可以,甚至更倾向于,在材料处于混乱、波动的量子临界态时出现。

"这太令人震惊了,"比勒-帕申说,"它表明拓扑态应该以更广义的方式定义。"

团队将这种新发现的状态命名为"涌现拓扑半金属",并与德克萨斯州莱斯大学合作。莱斯大学的雷·陈(论文共同第一作者)在齐妙教授的团队中开发了一个新的理论模型,能够将量子临界性和拓扑性结合起来。

"事实证明,产生拓扑性质并不需要粒子图景,"比勒-帕申说,"这个概念确实可以推广,拓扑区分可以以更抽象、更数学化的方式出现。而且不止如此:我们的实验表明,拓扑性质甚至可能正是因为类粒子态的缺失而产生。"

从苹果、面包和甜甜圈说起

要理解拓扑态,得先理解拓扑是什么。

拓扑来自数学,用来区分不同的几何结构。比如,苹果和面包在拓扑上是等价的,因为你可以把面包连续变形成苹果的形状。但面包和甜甜圈在拓扑上不同,因为甜甜圈有个洞,这个洞无法通过连续变形创造出来。

类似地,物质的状态也可以用拓扑来描述。粒子的速度、能量,甚至自旋方向与运动方向的关系,都可以遵循特定的几何规则。

拓扑性质的强大之处在于它的鲁棒性。小的扰动,比如材料中的缺陷,不会改变这些性质,就像小的变形无法把甜甜圈变成苹果一样。

这就是为什么拓扑效应在量子信息存储、新型传感器、无磁场控制电流等领域有巨大应用价值。

但传统理论认为,拓扑态需要粒子图景作为基础。维也纳的发现打破了这个限制。

重写教科书的时刻

这个发现有重要的实际意义。

它指向了一种全新的寻找拓扑材料的策略。"我们现在知道,在量子临界材料中寻找拓扑性质是值得的,甚至可能特别值得,"比勒-帕申说。

量子临界行为出现在许多类型的材料中,并且可以可靠地识别。这种联系可能让科学家发现许多新的"涌现"拓扑材料。

对于量子计算、暗物质探测、新型电子器件来说,这都是重大利好。传统的拓扑材料搜索范围被局限在那些符合粒子图景的材料中,但现在,整个量子临界材料家族都成了潜在的候选者。

搜索空间扩大了一个数量级。

物理学的边界再次被推开

这个发现再次证明:物理学的边界远比我们想象的更广阔。

我们以为拓扑态需要粒子,结果发现不需要。我们以为量子临界态和拓扑态不能共存,结果它们不仅能共存,还能相互增强。我们以为物质的有序态才能展现拓扑性质,结果最混乱的波动态反而拓扑效应最强。

电子到底是不是粒子?在CeRu₄Sn₆里,答案是:它既不是粒子,也不是波,但它确实存在,并且能展现出我们以为只有粒子才能展现的性质。

这不是哲学玩笑,这是实验事实。

2016年诺贝尔物理学奖表彰的拓扑态理论,现在需要被推广了。拓扑态比我们想象的更普遍,更基本,也更神秘。

而这一切,都始于一个研究团队在好奇心驱使下的一次赌博。他们本可以忽略那个矛盾的理论预测,但他们没有。他们把材料冷却到接近绝对零度,耐心观测,最终发现了一个全新的物质状态。

物理学的下一场革命,可能就藏在那些看起来"不可能"的矛盾中。

而维也纳团队告诉我们:当理论和常识发生冲突时,去实验室看看,答案可能比任何人想象的都要疯狂。

参考

Kirschbaum, D.M., et al. Emergent topological semimetal from quantum criticality, Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-025-03135-w, www.nature.com/articles/s41567-025-03135-w