量子材料突破旧理论！无磁场横向电流出世，物理学规则或需重写！

欧洲科学家在一种量子材料内部发现了一种全新的物质状态，其表现出人意料。即便内部电子不再像普通粒子那样运作，电流却在没有任何磁场的情况下突然发生了横向流动。

在高于绝对零度不到一度的极低温环境下，这项新研究在CeRu4Sn6种由铈、钌和锡组成的晶体，属于被称为重费米子材料的强相互作用金属类别——中发现了横向电压。

以此信号为指引，奥地利维也纳理工大学的物理学家希尔克·比勒-帕申教授将其与一种意想不到的状态联系了起来。研究团队将这一结果描述为巨大的惊喜。

这种横向电压在电子不再作为整齐的载流子运作的区域达到了峰值，制造了一种许多物理学家曾断言不可能出现的错配。

一些重费米子金属，即电子表现出异常大质量的类别，让这种整齐的载流子图像开始崩塌。

强相互作用可以将一个电子的能量分散到许多可能性中，因此单一的速度或路径不再具有意义。这种图像通常将混乱的相互作用转化为准粒子，即携带电荷和动量的类电子包，从而使计算保持可控。

CeRu4Sn6处于一个持续波动的区域，这些波动抹去了准粒子，使物理学家失去了通常的构建模块。

拓扑状态，即受对称性和计数规则保护的电子模式，能够比通常会扰乱电子的缺陷存在得更久。

2016年的诺贝尔物理学奖强调了当电子以受限方式穿过固体时，这种模式是如何出现的。传统理论仍然将电子视为具有确定能量的粒子，因此拓扑学一直与清晰的能带联系在一起。

CeRu4Sn6打破了这一预期，它恰恰在准粒子消失的地方展示了同样的受保护行为。

穿过导体的横向电压定义了霍尔效应，这是一种移动电荷发生偏转时产生的侧向信号。

通常，磁场会触发这种偏转，这使得霍尔效应成为测量载流子的标准工具。在某些晶体内部，贝里曲率——一种使固体中电子运动发生弯曲的量子特性，完全可以取代磁铁。

压力使团队能够调低波动，并追踪横向霍尔信号是如何上升然后崩溃的。

挤压CeRu4Sn6减弱了这种效应，并将其推向更低的温度，这与量子波动的减少相吻合。磁场缩小了响应出现的区域，将一种涌现的拓扑半金属——一种具有受保护交叉点的金属，描绘成一个穹顶状。

看到这个穹顶以最不稳定的区域为中心，推翻了波动与拓扑必须相互竞争的旧有预期。

当反演对称性——一种翻转位置看起来仍然相同的晶体属性，缺失时，即使没有磁性，横向运动也可能产生。

在CeRu4Sn6中，这种对称性的缺失意味着即使在零磁场下，作用在电子上的内力也不会抵消。物理学家将这类材料归类为电子结构中具有受保护交叉点的特殊金属，CeRu4Sn6符合这一描述。

那些内在的对称性规则使得横向电压更容易被探测到，因为即使在通常的粒子图像崩溃时，信号仍然可以存在。

早期的犹豫是有道理的，因为大多数现有理论假设电子以简单、定义明确的方式行为。

团队建立了一个新模型，检查了材料的内部相互作用在极低温度下如何变化，以及当这些相互作用开始瓦解时会发生什么。该理论不再依赖整齐的类粒子行为，而是寻找即使在最混乱的区域也能保持稳定的更深层模式。

“这是关键的洞见，使我们能够毫无疑问地证明，主流观点必须修正，”比勒-帕申说道。

实验室可以在不知道电子每一个细节的情况下，识别出量子临界性，一个具有持续波动的低温阈值。

在这个阈值附近，压力或磁场的微小变化可以重塑整个材料中的电子运动，而不仅仅是局部的。对于CeRu4Sn6，穹顶显示半金属恰好在波动最剧烈的区域周围形成，而不是在秩序稳定之后。

这种联系提供了一条发现候选材料的新途径，特别是在那些通过温和调控就已经出现量子临界性的族群中。

强劲的横向响应不仅仅是一个奇观，因为它可以在不增加笨重磁铁的情况下引导电流。

在强相互作用金属中，电子关联可以放大微妙的量子力，将抽象的能带特征转化为可测量的电压。这种控制可以支持敏感传感器或微小场至关重要的量子电路，特别是当设计者希望减少磁性部件时。

不过，这种状态仅在接近绝对零度时出现，因此实用的硬件将取决于在更温暖的温度下找到类似的行为。

单一材料迫使物理学家将拓扑学与粒子图像分离，这一改变开启了更清晰的理论。未来的工作将测试其他量子临界金属，并确定压力、应变或化学成分是否能将同样的响应带到实用的温度。

这项研究已发表在《自然》杂志上。