突破物理学禁锢！科学家发现曾被视为不可能的新型物质量子态

大家有没有想过，如果把 “绝对的混乱” 和 “极致的秩序” 强行揉在一起，会发生什么？在物理学家的传统认知里，这就像是试图把火和冰块放在同一个杯子里保存，结果肯定是一方消灭另一方。要么混乱摧毁秩序，要么秩序压制混乱。

但就在 2026 年 1 月，一项发表在《自然・物理》上的重磅研究直接掀翻了这个桌子。科学家们不仅找到了一种新物质，还让它同时拥有了 “敏感” 和 “稳定” 这两种截然相反的特性。这种被称为 “韦尔 - 近藤半金属” 的新型量子态，会不会就是我们苦苦寻找的、开启下一代量子革命的那把钥匙？

量子世界的 “水火相融”

我们先从为什么这个发现让物理学家 “脑瓜子嗡嗡的” 说起。在凝聚态物理领域，有两座长期 “井水不犯河水” 的大山：“量子临界性” 和 “拓扑学”。

啥是量子临界性？通俗地讲，量子临界性就是当物质在接近绝对零度的极端低温下，被其内在的“量子起伏”推到了两种不同量子状态之间摇摆不定的“悬崖”边缘，处于一种极度敏感和脆弱的不稳定状态。

那拓扑学呢？在拓扑学家眼里，甜甜圈和马克杯是一回事，它们都有一个洞。不管怎么揉捏，只要不撕破，“洞” 就始终存在。对应到材料中，就是电子的波函数极具 “皮实性”，任凭外界干扰，核心特性（比如导电性）始终不变。

一个 “极度敏感、随时会变”，一个 “极度稳定、死活不变”。以前的教科书逻辑是，把材料推向量子临界点，剧烈的量子涨落（混乱）会像龙卷风一样，撕碎脆弱的拓扑结构（秩序）。这就好比在波涛汹涌的台风中心搭积木，怎么可能成功？

但美国莱斯大学和奥地利维也纳工业大学主导的研究团队偏不信邪。他们把目光锁定在一种名为CeRu₄Sn₆（铈钌锡）的晶体上，通过理论模型预测发现，在极强的相互作用下，电子竟然能在量子临界点这个敏感地带附近“握手言和”，达成一种微妙的协作状态。

这没有发生 “火灭水” 或 “水灭火” 的惨剧，反而在极端混乱中诞生了全新秩序，就像台风眼里，积木不仅没倒，还因风的压力卡得更紧。这个发现直接填补了凝聚态物理中 “量子关联” 与 “拓扑几何” 融合的空白，告诉我们，以前觉得不可能存在的物质状态，其实一直躲在物理学的 “盲区” 里。

无磁场的 “电子高速公路”

光有理论可不行，物理学讲究 “有图有真相”。要证明这种新物质存在，就得提到经典物理现象 —— 霍尔效应。

通常情况下，电子在导体里流动，必须施加外部磁场才能让它拐弯，这就像开车必须转动方向盘或借助道路倾斜才能转向一样。但现在科学家发现了一种怪事，在这种全新的量子态里，即使不加任何磁场，电子流也会自己“拐弯”，产生了一个没有磁场的“自发霍尔效应”。

这就像车子开在平直公路上，方向盘没动却整齐划一地左拐，说明材料内部自带 “看不见的结构” 引导电子运动，这正是我们要找的 “拓扑态”。

维也纳工业大学的实验团队为抓证据下足了功夫。他们把实验环境降到接近绝对零度，热噪音被压到最低，量子效应才显露真身。数据显示，当材料处于量子临界点附近（量子涨落最剧烈、原本以为拓扑态会崩溃的地方），“自发霍尔效应” 不仅没消失，反而增强了 30% 以上。

这个数据太关键了。它直接打脸 “涨落破坏拓扑” 的旧观念，证明 CeRu₄Sn₆这种重费米子材料中，电子虽 “吵吵闹闹”（强关联），却在遵循严格的 “交通规则”（拓扑结构）运行。我们可以发现，这相当于找到了一条无需巨大磁场就能控制电子流向的 “隐形高速公路”。

量子涨落的 “角色反转”

我们接着往深扒，为什么原本的 “破坏者” 量子涨落，突然变成了 “守护者”？核心在于 “强电子相互作用”。

在普通铜线或硅芯片里，电子虽有排斥力，但基本各跑各的（弱相互作用）。可在 CeRu₄Sn₆中，电子是 “强关联” 的，一个电子动，周围电子都会感应到，好比一群人手挽手跳广场舞，一个人的动作牵动所有人。

以前我们觉得强关联带来的量子涨落是捣乱的，但新研究发现，正因为电子 “手挽手” 抓得紧，外界干扰（如杂质、缺陷）试图破坏队形时，这种整体关联性反而提供了保护。这就像你一个人站着易被推倒，但若和一百人紧紧挽手形成整体，就很难被撼动。

在 “韦尔 - 近藤半金属” 态里，量子临界性提供的 “敏感”，让电子对电场等信号反应极快；拓扑学提供的 “稳定”，又给电子穿上 “防弹衣”，抵抗环境噪音。

这种机制的发现，给材料学家打开了新世界的大门，以前设计材料要么选灵敏度（牺牲稳定性），要么选稳定性（牺牲灵敏度），现在物理学告诉我们，只要配方调得对，利用好量子涨落这个 “粘合剂”，两个优点可以兼得。

量子时代的 “双能材料”

说了这么多理论，这东西到底有啥用？说白了，它简直就是为了解决当前量子技术最头疼的那些问题而量身打造的解药。

先看量子计算。现在量子计算机最大的难点，就是“量子比特太娇气”，一点点温度变化或者电磁干扰，都可能让它失去量子特性，导致计算错误。这也就是为什么量子计算机必须被“供养”在巨大的、接近绝对零度的超级冰箱里的原因。

而这种新型量子态自带 “拓扑保护”，理论上能大幅降低量子比特错误率。有专家预测，若用它制造量子芯片，抗干扰能力可能比现在的超导量子比特高出一个数量级，这对陷于 “可重复性危机” 的量子计算领域来说，绝对是强心针。

再看传感器领域。这种材料无需外加磁场就能产生霍尔效应，意味着能制造极高灵敏度的传感器，还不用背沉重磁铁。想象一下深海或太空探索，极端环境下设备重量和能耗锱铢必较，这种材料靠量子临界性的超高灵敏度捕捉微弱信号，又因无需磁场校准简化设备结构，简直是 “量身定制”。

这里要提醒一句，咱们国家在拓扑量子材料领域一直走在世界前列。中科院物理所早在几年前，就在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应等方面有原创性贡献，还在探索基于拓扑材料的 “准零能耗” 器件（2026 年 1 月研究）。

这次国外团队发现的新型量子态，和国内研究方向殊途同归，为我们提供了新的材料平台，CeRu₄Sn₆可能只是冰山一角。研究团队表示，通过调整元素配比，完全能在更多材料中 “复制” 这种量子态，构建庞大的 “量子材料库”。

这就好比以前只知道用硅做芯片，现在突然发现一种更高级的 “乐高积木”，不仅能搭出更复杂结构，还自带 “自动修复” 功能。

从被认为 “绝对不可能” 到 “实验铁证如山”，科学的魅力就在于不断打脸中前进。量子临界性与拓扑态的 “世纪握手”，不仅让我们重新认识微观世界的运行规则，更给陷入瓶颈的摩尔定律和量子计算技术指了新出路。