奇異金屬的魅力

科學家研究了一種被稱為“奇異金屬”的奇特材料后，覺得發現了一種認識電現象的新方法。

維工業了阻隔電磁波，實驗室墻壁上覆著銅箔。天花板上的一個洞里用減震器吊著一臺冰箱。即便是實驗室地下深處地鐵經過傳導上來的極細微振動，這些減震器都能吸收。冰箱里的冷凝水珠滴落到下方小黃人主題的兒童泳池里。泳池內，一個薄如發絲的奇特材料樣本冷卻至僅高于絕對零度之上千分之一度的溫度。這種材料內部發生的事以及它傳導電力的方式，正是凝聚態物理學中最大的謎團之一。

電子從墻上的一個普通插座開始穿越帕申的實驗室。根據標準電學理論，電子會一個一個或者一小群一小群地沿著通向冰箱的導線遷移。不過，一旦電子抵達樣品一種由鏡、銠和硅構成的化合物一這幅簡單的理論畫面就崩潰了。物理學家稱這類樣品為“奇異金屬”。在過去的40年里，他們一直沒搞明白這些化合物的內部情況，只知道標準電學理論并不適用。

內最近的實驗和其他科學家的研究表明，電子在奇異金屬內部會失去個體性。帕申說：“電子進入奇異金屬后，就像變魔術一樣消失了。”取而代之的是，電荷似乎會以某種類似無定形水滴擴散的方式通過金屬——就像不以單個水分子形式存在的水一樣。這個現象令物理學家困惑不已，他們對其微觀層面上的細節更是爭論不休。不過，現在已經清楚明了：這些細節背后的原理極為重要，意義遠遠超過理解奇異金屬材料本身。帕申說：“這種狀態真的很神秘，意義重大。”

奇異金屬的標志性特征是，從低溫狀態加熱時，它們的電阻率會攀升到高于普通金屬的水平。而在較低的溫度下，它們的電阻率則會下降至零，成為超導體一只不過，奇異金屬變成超導體的溫度要高于傳統超導體。部分研究人員認為，這種高溫超導性只是奇異金屬特性的另一面一高溫超導性和未解的電子之謎是奇異金屬某種未被充分認識到的特征的一體兩面。如果事實確實如此，那么假如我們能更深入認識奇異金屬，就有望攻克室溫超導體技術一這是一個人類企盼已久的目標，可能會徹底改變從電網到交通運輸領域的各項技術。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校物理學家菲利普·菲利普斯（PhilipPhilips）說：“只有先充分認識奇異金屬，才可能徹底掌握超導特性。這是一切的核心。”

不過，研究奇異金屬的意義還不只是打造更好的超導體。能夠解釋奇異金屬特性的理論或許還能徹底重塑我們關于電在所有材料中的工作原理的認知。這種理論甚至可能把目前的標準理論納入其中，就像廣義相對論吸納牛頓的引力理論一樣，同時產生同樣的震撼效果。奇異金屬迫使物理學家思考，電子，甚至所有的粒子概念，是否都過分簡化了真實的物理事件。帕申的合作者、萊斯大學物理學教授斯其苗說：“自前看來，奇異金屬的特性與固體物理學標準理論相去甚遠。這種差異大到你根本無法忽視。毫無疑問，奇異金屬背后存在全新的物理學原理。”

正是這個具有革命意義的前景令研究人員動力十足。約翰·霍普金斯大學的彼得·阿米塔奇（PeterArmitage）說：“奇異金屬問題是當下凝聚態物理學中最艱深的問題。物理學家有多久沒有遇到過這樣意義深遠的問題了？”

準粒子模型的崛起

在此之前，固體材料內部的電理論就曾經大幅修改過。19世紀末，物理學家發現了電子。在此后的幾十年內，物理學家始終認為，電子是一種獨立的粒子，像彈球一樣穿過導體中的原子晶格然后散射出去。當時的研究人員其實也明白，真實情況復雜得多一由于電子都帶負電，所以它們彼此之間還存在相互排斥的力，但這樣的相互作用數量是天文數字，計算其效應不切實際。

1956年，蘇聯物理學家列夫·朗道（LevLandau）發現了一條捷徑：他把一簇電子當作某種稍重的粒子（稱為“準粒子”），這樣便至少能解釋電子的部分相互作用。準粒子并不是真實存在的物理學粒子，而是許多粒子都有的一種激發態，就像體育館里激動得站起來的觀眾。不過，從數學角度上說，準粒子的行為就像是在金屬中運動的傳統粒子，彼此散射。正是這種散射現象產生了電阻，而準粒子概念使得物理學家可以更加準確地計算電阻。時至今日，朗道提出的這個模型一被稱為“費米液體理論”一仍然是我們對電子在固體材料內部流動方式的標準理解。

這個模型很好地體現了元素周期表上各類金屬的性質一除了超導性。1911年，萊頓大學物理學家利用液氦冷卻固態汞至絕對零度之上 4^°C 時，發現汞的電阻率突然下降至零。單憑朗道模型解釋不了這個現象，不過在朗道提出這個模型1年后，物理學家就想出了一個變通的辦法，也就是“BCS理論”（得名于這個理論三位提出者姓氏首字母）。

BCS理論認為，在如此低的溫度下，電子會觸發超導體原子晶格內的振動，進而把電子對粘合在一起，形成“庫珀對”（得名于BCS理論的一位提出者）—哪怕它們彼此之間存在斥力。接著，這些庫珀對就會進入它們的最低能態。在這種狀態下，它們便不能從晶格內部散射出去，因為散射需要它們進一步損失能量。這樣一來，庫珀對就能以零電阻狀態在材料中自由流動。

BCS理論在問世之后的幾十年里效果始終不錯。然而，1987年，瑞士IBM公司的物理學家發現，某些銅基化合物（或者說“銅酸鹽”）可以在比液氦高大約 30^°C 的環境中實現超導一這個溫度實在太高了，超過了BCS理論的應用范疇。BCS理論受到了挑戰。只不過，這一次，物理學家沒有想出權宜之計。直到今天，科學家都沒有發現能在這么高的溫度下將電子粘合在一起的超強“膠水”。雪上加霜的是，他們還不斷在越來越高的溫度下發現具有超導性的材料，謎團變得越發撲朔迷離了。

各種溫度下的奇異金屬

奇異金屬化合物的電阻特性令人費解。另外，當低于相對較高的臨界溫度時，它們會變成超導體。這兩大謎題促使物理學家重新思考電的流動方式。

不過，IBM最初的實驗中潛藏著一條線索。科學家把銅酸鹽樣本加熱到臨界溫度之上時，注意到了另一個奇特的特征：電阻率沿一條直線上升，而不像其他所有已知金屬那樣沿指數曲線上升。費米液體理論無法解釋這個奇怪的現象。另外，一般來說，當溫度繼續升高時，普通金屬的電阻率變化曲線會趨于平坦，而某些奇異金屬卻仍繼續沿直線升高，因而變得導電性極差。在朗道的理論框架中，只有原子晶格空區域中電子準粒子在短于尋常散射距離的距離上發生散射才可能出現這么高的電阻率。

線性電阻率在臨界溫度以上，奇異金屬的電阻率隨溫度的升高呈線性上升趨勢；在臨界溫度以下，奇異金屬的電阻率直接降至零。而普通金屬的電阻率隨溫度的變化沿一條光滑的曲線上升。

漸漸地，物理學家開始意識到，這些奇異金屬不同尋常的電阻率同它們的高溫超導特性一樣，也是一個相當重要的謎題。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校物理學家彼得·阿巴蒙特（PeterAbbamonte）說：“真正優秀的物理學問題往往具有一種標志性特征，即本身非常簡單，但又需要極大地轉變概念才能解決。奇異金屬的問題就很符合這個特征。”

傳統超導性當溫度接近絕對零度時，電子觸發原子晶格（原子晶格將電子束縛成對，形成“庫珀對”）振動，從而毫無阻力地通過金屬

2004年，荷蘭物理學家揚·扎寧（JanZaanen）注意到，奇異金屬的電阻率還有其他特點。材料電阻率的斜率表征電流以熱量形式耗散的速度。就普通金屬而言，電子散射率取決于材料的微觀細節。然而，奇異金屬中的電流熱量耗散似乎總是以最快的速度上升，因而其電阻率也以最快的速度上升。另外，這個速度還正比于普朗克常數一量子力學中的一個關鍵數值，決定了某些粒子特性可以測量到多精確的程度。扎寧稱這種現象為“普朗克式耗散”，表明奇異金屬中的電子行為一定反映了朗道準粒子模型無法解釋的某些尚不清楚的量子效應。

2019年，科學家證實，普朗克式耗散是銅酸鹽普遍具備的一種性質。也是在那一年，扎寧起草了一份長達40頁的報告，督促同行們將線性電阻率視作一種“真正全新的基礎物理學的表達”，而這要求物理學家放棄準粒子模型。

奇異金屬電阻率奇異金屬的電阻率實在太高，電子似乎就像是在真空中散射一樣。取而代之的是，攜帶電荷的可能是形成量子糾纏的粒子湯，甚至根本沒有粒子

這正是目前理論物理學家正在做的事兒。在2022年《科學》（Science）雜志上發表的一篇評論中，菲利普斯領導的一支團隊總結稱，“至少在奇異金屬中，電子不再是主要的電荷載體，也就是說，粒子框架破裂了，沒有任何局域實體攜帶電流”。問題在于，在這種情況下，攜帶電流的究竟是什么。

寂靜的地方

在很長一段時間內，許多物理學家都抵制扎寧的“戰斗”號召，但菲利普斯不在這個行列。他說：“準粒子模型始終只是一根拐杖，而現在，我們需要丟掉它了。”近些年，有一大批采用了新技術的實驗開始凸顯朗道的簡化模型忽略的所有奇怪之處。

2016年，帕申在休假期間前往萊斯大學，同斯其苗及其同事道格·納泰爾森（DougNatelson）合作設計了一種可以在效果上“聽”到奇異金屬內部電流的方法。記錄雨滴落到屋頂上發出的啪聲就能了解雨滴的大小和頻率，類似地，測量電流流過奇異金屬導線時的波動，就能知曉攜帶電流的物體的性質。結果，研究人員并沒有像預想的那樣聽到電子或準粒子經過奇異金屬時發出的不和諧的嘅啪聲，相反，他們聽到的聲音完全和諧一致。電似乎就像一碗無比均勻的湯一樣流過奇異金屬制成的導線。

這個結果在2023年正式被報告出來，對準粒子概念產生了迄今最為致命的打擊。帕申說，這個實驗徹底重塑了她對奇異金屬內部現象的理解。她過去常把奇異金屬內部情況描繪成紛繁復雜的電子相互作用形成的龍卷風。而現在，帕申認為“實際上，奇異金屬內部受到嚴格控制。那是一個寂靜的地方”。

還有一些研究人員則找到了探測奇異金屬性質更直接的方法。阿米塔奇用遠紅外光照射奇異金屬樣本，結果沒有發現任何存在準粒子的證據。布里斯托爾大學物理學家斯蒂芬·海登（StephenHayden）用中子束轟擊奇異金屬樣本，結果發現存在會隨樣本冷卻而變慢的磁性波。這可能意味著，樣本正在躍遷至新的狀態。阿巴蒙特則試圖利用電子槍探索奇異金屬材料中電子密度的變化，結果卻發現材料內部電荷分布均勻。他說：“沒有任何測量方法可以讓你知曉系統中有多少電子，它們在奇異金屬內部的行為真的很奇怪。”

上面提到的最近展開的這三個散射實驗也都表明，奇異金屬內部電子不同尋常的行為“不隨尺度發生變化”。舉例來說，測量奇異金屬內部電荷密度隨溫度變化的波動函數，無論選定的溫度變化范圍是窄是寬，得到的函數曲線都一樣。觀測奇異金屬內部的物理現象就像聚焦、放大一片雪花：在所有尺度上看，結果都一模一樣。

與此同時，物理學家還在與最早開始研究的銅酸鹽化合物差別極大的其他材料（比如轉動產生的石墨烯片以及鎳和銦組成的星形晶格）中發現了同樣怪異的電子行為。這樣看來，對當前電子理論框架的挑戰似乎遠不止是一些奇異金屬。

2023年，扎寧逝世。將他視作自己最親密的朋友的菲利普斯說：“扎寧的離去讓我們更加急迫地想要解決這個問題。為了扎寧，也為了物理學。”

重構電理論

朗道理論已經深深扎根在現代物理學中，物理學家不確定拋棄這個理論要如何研究電。阿米塔奇說：“我們經常默認一個前提，就是在處理電問題時使用準粒子概念。或許，我們的確需要一種不同的工具，但目前還不知道它應該是什么。”

扎寧生前的研究留下了一些提示。他提出，奇異金屬性質的核心是“糾纏”。這種量子現象把粒子的特性聯系在了一起，允許它們表現得幾乎完全像單個物件一樣，即便相隔遙遠也能實現交流。扎寧寫道：“我們面對的是一種全新的物質形式，它由一個內部所有東西都相互糾纏在一起的系統控制。”

按照扎寧的說法，最大程度糾纏在一起的電子會形成某種彌散在奇異金屬中的“液體”，且黏度降至最低。想象把一塊石頭丟進一碗湯里：湯越稀，石頭激起的漣漪消失得越快。現在，奇異金屬內部的這鍋量子湯黏度達到理論最低，那么它就會以最快的速度耗散能量，這就解釋了為什么奇異金屬受熱時電阻率會上升得那么快。不過，扎寧沒有進一步解釋這種處于量子糾纏狀態的電子湯是怎么形成的。現在，有三位理論物理學家正在推進各自的嘗試。

第一位是哈佛大學物理學家蘇比爾·薩奇德夫（SubirSachdev）。30年前，他參與開發了一個模擬電子隨機相互作用使其進入量子糾纏狀態的模型。在2023年發表于《科學》雜志的一篇論文中，薩奇德夫借助上述模型的更新版提出，在奇異金屬內部，準粒子會把原子晶格中的電磁波和缺陷散射出去，然后破碎，形成處于高度量子糾纏狀態的電子湯。

海登表示，薩奇德夫的理論“似乎很好地解釋了我們最近在他的中子散射實驗中看到的結果”，尤其是電磁波的行為。帕申則發現，薩奇德夫的這套理論在數學和現象詮釋方面“很有吸引力”，但她對這套理論的基礎一電子相互作用隨機性和晶格缺陷在驅動量子糾纏狀態方面的重要作用一并不買賬。帕申稱，許多奇異金屬樣本一包括她本人使用的一都極為純凈且規則。

2024年，帕申根據因斯布魯克大學彼得·左勒（PeterZoller）提出的方法真的探測到了材料內部的量子糾纏態。在斯其苗和維爾茨堡大學物理學家法克爾·阿薩德（FakherAssaad）的幫助下，帕申利用左勒的方法估算了由鈰、鈀和硅構成的奇異金屬內部至少有多少個電子處于量子糾纏狀態。他們得到的結果2025年3月以預印本形式發布。帕申說，至少有9個電子處于量子糾纏狀態的結果聽上去很少，但這其實是非常保守的估算，并且已經是迄今為止我們在所有固態系統中切實記錄到的最多數量了。

實驗證實奇異金屬內部的確可能存在多粒子量子糾纏態之后，斯其苗提出了第二種解釋奇異金屬怪異性質的理論，并于2025年3月發表在《自然-通訊》（Nature-Communications）上。他認為，金屬中的電子可以分為兩類：一類是可以自由移動的電子，可以導電；另一類被金屬原子牢牢鎖定，無法移動，可稱為“內部電子”。這兩類電子之間存在相互作用。在普通金屬中，可以自由移動的電子同內部電子聯系在一起，形成準粒子。然而，在奇異金屬中，內部電子彼此之間處于極為強烈的量子糾纏狀態一帕申的實驗已經證實了這一點一因而無法同可以自由移動的外部電子形成聯系。斯其苗認為，這就導致準粒子破裂，留下最大程度糾纏在一起的導電電子團，很難穿越晶格一于是就產生了高電阻。不過，如果奇異金屬冷卻到臨界溫度以下，這鍋被攪動了的電子湯就會重組成超導狀態。

帕申計劃利用她實驗室里的那臺藍色大冰箱在越來越低的溫度下執行噪聲實驗，以驗證斯其苗提出的這套理論。她的團隊在一間白凈得閃閃發亮的潔凈室里忙著把材料樣品噴涂到薄膜上。等到他們把這些樣品切割成導線并裝入實驗設備后，帕申就會監聽噪聲，以期聽到樣品從奇異金屬變成超導體時內部量子糾纏狀態發生變化的聲音。

斯其苗稱，這種測量量子糾纏狀態的能力其實是一項重大突破，并且已經產出了許多有益的結果。他說：“我覺得，一道原本隱藏的大門正在徐徐打開，這真的是一件很大很大的事兒。”在2025年3月發表的那篇論文中，他用類似的方法計算了在同事阿巴蒙特電子散射實驗中觀察到的量子糾纏水平，結論是顯著高于普通金屬內部水平。此外，菲利普斯認為，阿巴蒙特的實驗證明，無論奇異金屬內部攜帶電荷的究竟是什么，都沒有明確的質量或能量。以此為基礎，菲利普斯提出了他對奇異金屬性質的解釋，也就是第三套理論。

在過去的十年中，菲利普斯提出，在奇異金屬內部，攜帶電流的是某種完全不同于電子（哪怕是處于量子糾纏狀態的電子）的東西。至于這種東西究竟是什么，他本人偏愛哈佛大學物理學家霍華德·喬治（HowardGeorgi）設想的“非粒子”。這是一種仍舊只存在于物理學家想象中的物質形式，相當令人費解。我們知道，目前所有已知的粒子都有明確的靜止質量，而非粒子則完全不同，它可以有任何質量，具體如何取決于測量它的方式。菲利普斯稱，奇異金屬內部的這鍋湯如果是由質量可變的非粒子構成的，那就能解釋所有那些令人困惑的實驗結果了。而且，目前看來，這是唯一的解釋方法。不過，他還不確定這種由非粒子構成的湯是怎么產生奇異金屬的線性電阻率的。

菲利普斯承認，他的想法比薩奇德夫和斯其苗的更為大膽。身為黑人科學家的他稱：“我從來不會做任何被普遍接受的事兒。只要你不是‘普遍’中的一員，這就很容易做到。”菲利普斯顯然已經適應了特立獨行。

不過，不列顛哥倫比亞大學研究量子相變如何產生全新物質的物理學家梅根·阿倫森（MeiganAronson）說，菲利普斯跳出傳統的粒子思維確實符合奇異金屬研究圈目前的思考方向。阿倫森稱：“我們在學校里學習了與電子相關的理論，所以現在大家都不能拋開這種粒子。”然而，在過去的幾十年里，這個領域的突破反復證明了，電子的集體行為可以解釋個體電子理論無法解釋的現象。同菲利普斯一樣，阿倫森懷疑：“在凝聚態物理學中，電子或許不是基本粒子。”

如果扎寧還在世的話，恐怕也會贊同這個觀點。他曾寫道：“20世紀的物理學總是圍著粒子概念兜兜轉轉。但涉及奇異金屬時，再怎么強調粒子概念的誤導性都不為過。”

膠水是湯

2025年4月，德國德累斯頓馬克斯·普朗克復雜系統物理研究所的一次研討會上，一群熱心研究奇異金屬的物理學家聚在一起交流想法。斯其苗說，雖然理論物理學家各有各的理論，但總體上，“我們都朝著同一個方向前進”。薩奇德夫、菲利普斯和他都認為，電像彌散的量子湯一樣在奇異金屬中流動，不存在任何定域的電子準粒子。他們只是在這鍋湯的具體成分上存在分歧。

薩奇德夫說：“我覺得我們離徹底了解這些奇異金屬已經很近了。我們的觀點之間并沒有太大矛盾一只是在從不同角度討論同一頭大象。”

同時，理論物理學家也都贊同，更好地認識奇異金屬是在更高溫度下制造性能更優的超導體的關鍵。幾十年來，研究人員始終在尋找能在更高溫度下把電子粘成庫珀對的“膠水”。不過，如果電荷真的以互相糾纏的量子團的形式傳播，那么過去的這番努力大概是走錯了方向。斯其苗說：“如果整個東西都是一鍋湯，那根本就不需要膠水。”

斯其苗表示，尋找具有革命意義的超導體的關鍵就是研究那些在高溫條件下導電性極差的材料。他說：“這有點令人難以置信，但這就是奇異金屬。”斯其苗認為，奇異金屬在高溫狀態下的高電阻率表明，處于這種狀態的電子是“受挫”的，等到冷卻到足夠低的溫度后，它們自然便能重新排列成更舒適的超導狀態。斯其苗的目標是把這種相變環境提高到室溫溫度：“你要盡可能地讓這些粒子不開心，這樣它們就能重組成我們真正關心的東西，比如某些能拯救世界的物質。”

而在菲利普斯看來，非粒子概念不僅是通往室溫超導的道路，也是一套在不借助電子概念的前提下重新思考電現象的理論框架。在德累斯頓舉辦的這次研討會上，他寫了一黑板的數學推演，描述如何用非粒子概念取代準粒子描述電理論。他說：“你必須不斷前進，在理論中展示殺死準粒子的方法。等到真的殺死準粒子之后，就有了一個新的出發點。而這就是我們一直以來尋找的。” （÷）

資料來源Science