2026年4月13日——所谓“物质的奇异相态”是当前科研的重要焦点。这源于双重原因：从基础科学角度看，它们代表着量子物理学中尚未充分探索的前沿领域；从应用科学角度看，它们是包括稳定量子计算在内的新兴技术基础。

一项国际研究团队的最新发现表明，重费米子化合物 CeRu₄Sn₆展现出全新电子态——一种并非受限于、而是得益于量子临界性才得以稳定的拓扑半金属态。相关论文已发表于《自然·物理学》。

“该研究拓展了奇异物相的类型谱系，表明量子临界点可能成为强关联拓扑态的“培育场”。”论文作者之一、巴西圣保罗大学物理研究所（IF-USP）教授朱利奥·拉雷亚·希门尼斯解释道。这位物理学家同时是该校极端条件量子物质实验室（LQMEC）的联合创始人兼负责人。

拓扑材料的电子特性受对称性保护，微小的杂质、形变或涨落难以破坏其全局量子态。这类材料之所以备受关注，在于拓扑结构能抵御局部扰动对量子态的破坏，这对于减少退相干效应下的量子信息存储与处理具有重要意义——而这正是量子计算发展的核心挑战。

拉雷亚指出，该研究的突破在于实验验证了：与手性等非平庸拓扑结构相关的精妙对称性，能够产生不同于近一个世纪前通过薛定谔方程研究的量子态。值得注意的是，除已知态外，系统在特殊对称性作用下还会形成新物态。

“传统对称性产生的“平庸拓扑”结构中，电子排布通常用布洛赫态描述。金属材料的电子相互作用一般通过准粒子概念解释。但在量子临界态的重费米子化合物CeRu?Sn?中，这些准粒子完全消失了。令人惊讶的是，我们正是在这种极端状态下发现了拓扑半金属的出现。”拉雷亚表示。

为理解该现象，研究人员构建了近藤效应失效临界点的半金属理论模型。该模型显示，即使没有明确定义的准粒子，电子能带中仍会因系统自身的量子涨落产生拓扑交叉。

“常规条件下，CeRu?Sn?系统中的传导电子与铈4f壳层电子存在纠缠（即近藤效应）。但当处于极高压强、强磁场和接近绝对零度的温度时，这种纠缠会被打破，材料进入量子涨落主导动力学的临界点——新拓扑相就诞生于这个极限状态。”拉雷亚阐释道。

实验中，研究团队在CeRu?Sn?中观测到无需外磁场的横向电压——即自发霍尔效应，这是外尔半金属的典型特征。论文提出的理论模型考虑了近藤瓦解极限下的外尔-近藤半金属态，此时量子涨落剧烈到足以溶解重费米子流体。但涨落非但没有彻底破坏电子结构，反而催生出新型拓扑交叉。

拉雷亚强调，该研究的核心在于相互作用与对称性的耦合。“我们的实验首次实证了此前主要停留在理论层面的过程。”他总结道。

在临界区域，传统理论中定义明确的热力学态序参量与准粒子模型完全失效。新研究揭示：当电子能带变得“难以驯服”、低能激发“取代”序参量时，拓扑态反而应运而生——这并非与量子临界性相悖，而恰恰是其直接产物。

近年来，拓扑学已成为物理学的新语言。受拓扑对称性保护的物态具有抗扰动鲁棒性，能解释以往看似无关的现象。2016年，戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨因“拓扑相变与拓扑物态的理论发现”共获诺贝尔物理学奖，标志着该领域的重大突破。

从实验角度看，极高压强、毫开级超低温、强磁场与二维材料为创造全新量子态提供了可能，打开了以往无法触及的研究疆域。这些进展表明，物质的量子组织形式远比既往认知更为丰富，使奇异物相成为重要的概念挑战与技术突破口。

本研究即属于这一广阔领域。FAPESP通过授予拉雷亚的“青年研究者基金”为项目提供了支持。