电子通常被描述为粒子，但在一种罕见的量子材料中，这种描述完全站不住脚。

量子物理学表明，粒子并不像具有固定位置的固体物体那样运行。相反，它们的行为也类似波，这意味着它们在空间中的确切位置无法确定。即便如此，在许多实际情况下，科学家们仍可依赖一种熟悉的经典描述方式。他们常常将粒子想象成以一定速度在空间中移动的微小物体。

这种简化观点在阐释电流如何流经金属时尤为实用。物理学家通常将电流描述为电子在物质中奔涌，其间受电磁力推动、减缓或改变方向。

粒子图景失效之时

诸多现代理论亦以此种基于粒子的描述为基础构建。其中尤为突出的，便是物质拓扑态理论——这一突破性成果荣膺2016年诺贝尔物理学奖。该理论假定，电子表现为具有明确能量与速度的粒子。

然而，研究人员已发现某些材料并不符合这一图景（详见下文发表的研究）。在这些情况下，电子已无法被描述为具有精确位置或单一、明确定义速度的小粒子。

如今，维也纳工业大学的一个研究团队已证实，即便电子失去类粒子特性，材料仍可展现出拓扑特性。迄今为止，此类特性始终是通过基于粒子的模型来阐释的。而最新研究成果表明，拓扑学的适用范围比预期更为广泛，它融合了曾被视为相互矛盾的观念。

当粒子图景不再合理时

维也纳工业大学固态物理研究所的西尔克·布勒-帕申教授表示：“电子作为微小粒子，在物质中以电流形式流动时会发生碰撞，这种经典图像竟出奇地稳固。经过一定修正后，即便在电子间相互作用强烈的复杂物质中，这一图像依然适用。”

然而，在某些极端情况下，这种描述会完全失效。此时，电荷载流子会失去其类粒子特性。这种特性出现在一种由铈、钌和锡（CeRu₄Sn₆）组成的化合物中，维也纳工业大学的研究人员对这种化合物在极低温条件下的表现展开了研究。

“在接近绝对零度时，该物质会展现出一种特定的量子临界行为，”当前论文的第一作者戴安娜·基尔希鲍姆说道，“这种物质在两种不同状态间波动，仿佛无法决定自己要呈现何种状态。在这种波动状态下，准粒子模型被认为将失去其意义。”

拓扑学与甜甜圈有何关联

与此同时，理论研究显示，这种材料应当具备拓扑态。“拓扑学一词源自数学，用于区分某些几何结构，”西尔克·比勒-帕申（Silke Bühler-Paschen）解释道。

“例如，从拓扑学角度来看，苹果与面包卷是等价的，因为面包卷能够通过连续形变转变为苹果的形状。然而，面包卷与甜甜圈在拓扑学上则截然不同，因为甜甜圈有一个无法通过连续形变产生的孔洞。”

物理学家运用相似的理论来描述物质的状态。诸如粒子能量、速度，甚至相对于运动的自旋方向等量，均可遵循特定的几何模式。这些模式尤为重要，因为它们具有高度的稳定性。微小的干扰，例如材料中的缺陷，并不会破坏它们，正如微小的形状变化无法将甜甜圈变成苹果。

因其稳健性，拓扑效应在量子信息存储、新型传感器以及无磁场引导电流等应用领域被寄予厚望。

理论难题

尽管拓扑学听起来颇为抽象，但目前大多数理论仍间接依托于粒子图像展开。“这些理论假定，人们所描述的对象具有明确界定的速度与能量，”戴安娜·基尔希鲍姆解释道。

“然而，在我们研究的这种物质中，似乎并不存在如此明确界定的速度和能量，因为它呈现出一种被认为与粒子图像不相容的量子临界行为。尽管如此，先前那些忽略这些非粒子特性的简单理论方法曾预言，该物质应展现出拓扑特性。”

这使得理论结果与预期的物理表现之间出现了明显的矛盾，令研究人员困惑不已。

好奇引领实验验证

因这一分歧，布勒-帕申（Bühler-Paschen）的团队起初对进一步探究该理论预测心存顾虑。最终，好奇心占据了上风，戴安娜·基尔希鲍姆（Diana Kirschbaum）开始着手寻找拓扑行为的实验证据。

在低于绝对零度一度多的温度下，她观察到一个清晰的信号：自发（反常）霍尔效应。通常情况下，霍尔效应是电荷载流子受磁场偏转而产生的。然而，在此次实验中，即便未施加外部磁场，偏转现象依然出现了。

尤为引人注目的是，尽管有确凿证据表明粒子模型并不适用，但电荷载流子的表现却如同粒子一般。“这一关键洞察让我们能够毋庸置疑地证明，现有的观点必须加以修正，”西尔克·比勒-帕申（Silke Bühler-Paschen）说道。

“此外还有更多发现，”戴安娜·基尔希鲍姆（Diana Kirschbaum）补充道，“拓扑效应在材料波动最为显著之处最为强烈。当这些波动因压力或磁场的作用而被抑制时，拓扑特性便会随之消失。”

重新思考物质拓扑态

“这着实令人大为震惊，”西尔克·比勒-帕申说道，“这表明拓扑态应以广义的方式来定义。”

研究人员将这一新发现的物相描述为一种新兴拓扑半金属。他们与德克萨斯州莱斯大学展开合作，该校陈雷（该论文共同第一作者）在司启渺教授团队中构建了一个理论模型，成功将量子临界性与拓扑学联系起来。

布勒-帕申（Bühler-Paschen）表示：“事实上，事实证明，生成拓扑特性并不需要粒子图像。”“这一概念确实可以推广——拓扑差异随后会以一种更为抽象、数学化的方式显现出来。不仅如此：我们的实验表明，拓扑特性甚至可能因类粒子态的缺失而产生。”

发现量子材料的新策略

这些发现也指出了实际的应用机遇。它们提出了一种新的拓扑材料搜索方法，即聚焦于表现出量子临界行为的系统。

布勒-帕申（Bühler-Paschen）表示：“如今我们已知，在量子临界材料中探寻拓扑特性是值得的——或许尤其值得。”“由于量子临界行为在众多材料类别中均有体现，且能够可靠地识别，因此这种关联或许有助于发现许多新型‘涌现式’拓扑材料。”

参考文献：D. M. 基尔希鲍姆（D. M. Kirschbaum）、L. 陈（L. Chen）、D. A. 佐科（D. A. Zocco）、H. 胡（H. Hu）、F. 马扎（F. Mazza）、M. 卡利奇（M. Karlich）、M. 卢日尼克（M. Lužnik）、D. H. 阮（D. H. Nguyen）、J. 拉雷亚·希门尼斯（J. Larrea Jiménez）、A. M. 斯特里多姆（A. M. Strydom）、D. 阿德罗亚（D. Adroja）、X. 严（X. Yan）、A. 普罗科菲耶夫（A. Prokofiev）、Q. 斯（Q. Si）与S. 帕申（S. Paschen）所著《量子临界点涌现的拓扑半金属》，发表于2026年1月14日《自然·物理学》。DOI：10.1038/s41567-025-03135-w