科学家研究了一种被称为“奇异金属”的奇特材料后，觉得发现了一种认识电现象的新方法。
维也纳工业大学斯尔克 · 布勒-帕申（Silke Bühler-Paschen）的实验室内正在发生一些怪异的事。为了阻隔电磁波，实验室墙壁上覆着铜箔。天花板上的一个洞里用减震器吊着一台冰箱。即便是实验室地下深处地铁经过传导上来的极细微振动，这些减震器都能吸收。冰箱里的冷凝水珠滴落到下方小黄人主题的儿童泳池里。泳池内，一个薄如发丝的奇特材料样本冷却至仅高于绝对零度之上千分之一度的温度。这种材料内部发生的事以及它传导电力的方式，正是凝聚态物理学中最大的谜团之一。
电子从墙上的一个普通插座开始穿越帕申的实验室。根据标准电学理论，电子会一个一个或者一小群一小群地沿着通向冰箱的导线迁移。不过，一旦电子抵达样品——一种由镱、铑和硅构成的化合物——这幅简单的理论画面就崩溃了。物理学家称这类样品为“奇异金属”。在过去的40年里，他们一直没搞明白这些化合物的内部情况，只知道标准电学理论并不适用。
帕申实验室内最近的实验和其他科学家的研究表明，电子在奇异金属内部会失去个体性。帕申说：“电子进入奇异金属后，就像变魔术一样消失了。”取而代之的是，电荷似乎会以某种类似无定形水滴扩散的方式通过金属——就像不以单个水分子形式存在的水一样。这个现象令物理学家困惑不已，他们对其微观层面上的细节更是争论不休。不过，现在已经清楚明了：这些细节背后的原理极为重要，意义远远超过理解奇异金属材料本身。帕申说：“这种状态真的很神秘，意义重大。”
奇异金属的标志性特征是，从低温状态加热时，它们的电阻率会攀升到高于普通金属的水平。而在较低的温度下，它们的电阻率则会下降至零，成为超导体——只不过，奇异金属变成超导体的温度要高于传统超导体。部分研究人员认为，这种高温超导性只是奇异金属特性的另一面——高温超导性和未解的电子之谜是奇异金属某种未被充分认识到的特征的一体两面。如果事实确实如此，那么假如我们能更深入认识奇异金属，就有望攻克室温超导体技术——这是一个人类企盼已久的目标，可能会彻底改变从电网到交通运输领域的各项技术。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学家菲利普 · 菲利普斯（Philip Philips）说：“只有先充分认识奇异金属，才可能彻底掌握超导特性。这是一切的核心。”
不过，研究奇异金属的意义还不只是打造更好的超导体。能够解释奇异金属特性的理论或许还能彻底重塑我们关于电在所有材料中的工作原理的认知。这种理论甚至可能把目前的标准理论纳入其中，就像广义相对论吸纳牛顿的引力理论一样，同时产生同样的震撼效果。奇异金属迫使物理学家思考，电子，甚至所有的粒子概念，是否都过分简化了真实的物理事件。帕申的合作者、莱斯大学物理学教授斯其苗说：“目前看来，奇异金属的特性与固体物理学标准理论相去甚远。这种差异大到你根本无法忽视。毫无疑问，奇异金属背后存在全新的物理学原理。”
正是这个具有革命意义的前景令研究人员动力十足。约翰 · 霍普金斯大学的彼得 · 阿米塔奇（Peter Armitage）说：“奇异金属问题是当下凝聚态物理学中最艰深的问题。物理学家有多久没有遇到过这样意义深远的问题了？”
准粒子模型的崛起
在此之前，固体材料内部的电理论就曾经大幅修改过。19世纪末，物理学家发现了电子。在此后的几十年内，物理学家始终认为，电子是一种独立的粒子，像弹球一样穿过导体中的原子晶格然后散射出去。当时的研究人员其实也明白，真实情况复杂得多——由于电子都带负电，所以它们彼此之间还存在相互排斥的力，但这样的相互作用数量是天文数字，计算其效应不切实际。
1956年，苏联物理学家列夫 · 朗道（Lev Landau）发现了一条捷径：他把一簇电子当作某种稍重的粒子（称为“准粒子”），这样便至少能解释电子的部分相互作用。准粒子并不是真实存在的物理学粒子，而是许多粒子都有的一种激发态，就像体育馆里激动得站起来的观众。不过，从数学角度上说，准粒子的行为就像是在金属中运动的传统粒子，彼此散射。正是这种散射现象产生了电阻，而准粒子概念使得物理学家可以更加准确地计算电阻。时至今日，朗道提出的这个模型——被称为“费米液体理论”——仍然是我们对电子在固体材料内部流动方式的标准理解。
这个模型很好地体现了元素周期表上各类金属的性质——除了超导性。1911年，莱顿大学物理学家利用液氦冷却固态汞至绝对零度之上4℃时，发现汞的电阻率突然下降至零。单凭朗道模型解释不了这个现象，不过在朗道提出这个模型1年后，物理学家就想出了一个变通的办法，也就是“BCS理论”（得名于这个理论三位提出者姓氏首字母）。
BCS理论认为，在如此低的温度下，电子会触发超导体原子晶格内的振动，进而把电子对粘合在一起，形成“库珀对”（得名于BCS理论的一位提出者）——哪怕它们彼此之间存在斥力。接着，这些库珀对就会进入它们的最低能态。在这种状态下，它们便不能从晶格内部散射出去，因为散射需要它们进一步损失能量。这样一来，库珀对就能以零电阻状态在材料中自由流动。
BCS理论在问世之后的几十年里效果始终不错。然而，1987年，瑞士IBM公司的物理学家发现，某些铜基化合物（或者说“铜酸盐”）可以在比液氦高大约30℃的环境中实现超导——这个温度实在太高了，超过了BCS理论的应用范畴。BCS理论受到了挑战。只不过，这一次，物理学家没有想出权宜之计。直到今天，科学家都没有发现能在这么高的温度下将电子粘合在一起的超强“胶水”。雪上加霜的是，他们还不断在越来越高的温度下发现具有超导性的材料，谜团变得越发扑朔迷离了。
各种温度下的奇异金属
奇异金属化合物的电阻特性令人费解。另外，当低于相对较高的临界温度时，它们会变成超导体。这两大谜题促使物理学家重新思考电的流动方式。
不过，IBM最初的实验中潜藏着一条线索。科学家把铜酸盐样本加热到临界温度之上时，注意到了另一个奇特的特征：电阻率沿一条直线上升，而不像其他所有已知金属那样沿指数曲线上升。费米液体理论无法解释这个奇怪的现象。另外，一般来说，当温度继续升高时，普通金属的电阻率变化曲线会趋于平坦，而某些奇异金属却仍继续沿直线升高，因而变得导电性极差。在朗道的理论框架中，只有原子晶格空区域中电子准粒子在短于寻常散射距离的距离上发生散射才可能出现这么高的电阻率。
线性电阻率 在临界温度以上，奇异金属的电阻率随温度的升高呈线性上升趋势；在临界温度以下，奇异金属的电阻率直接降至零。而普通金属的电阻率随温度的变化沿一条光滑的曲线上升。
传统超导性 当温度接近绝对零度时，电子触发原子晶格（原子晶格将电子束缚成对，形成“库珀对”）振动，从而毫无阻力地通过金属
奇异金属电阻率 奇异金属的电阻率实在太高，电子似乎就像是在真空中散射一样。取而代之的是，携带电荷的可能是形成量子纠缠的粒子汤，甚至根本没有粒子
渐渐地，物理学家开始意识到，这些奇异金属不同寻常的电阻率同它们的高温超导特性一样，也是一个相当重要的谜题。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理学家彼得 · 阿巴蒙特（Peter Abbamonte）说：“真正优秀的物理学问题往往具有一种标志性特征，即本身非常简单，但又需要极大地转变概念才能解决。奇异金属的问题就很符合这个特征。”
2004年，荷兰物理学家扬 · 扎宁（Jan Zaanen）注意到，奇异金属的电阻率还有其他特点。材料电阻率的斜率表征电流以热量形式耗散的速度。就普通金属而言，电子散射率取决于材料的微观细节。然而，奇异金属中的电流热量耗散似乎总是以最快的速度上升，因而其电阻率也以最快的速度上升。另外，这个速度还正比于普朗克常数——量子力学中的一个关键数值，决定了某些粒子特性可以测量到多精确的程度。扎宁称这种现象为“普朗克式耗散”，表明奇异金属中的电子行为一定反映了朗道准粒子模型无法解释的某些尚不清楚的量子效应。
2019年，科学家证实，普朗克式耗散是铜酸盐普遍具备的一种性质。也是在那一年，扎宁起草了一份长达40页的报告，督促同行们将线性电阻率视作一种“真正全新的基础物理学的表达”，而这要求物理学家放弃准粒子模型。
这正是目前理论物理学家正在做的事儿。在2022年《科学》（Science）杂志上发表的一篇评论中，菲利普斯领导的一支团队总结称，“至少在奇异金属中，电子不再是主要的电荷载体，也就是说，粒子框架破裂了，没有任何局域实体携带电流”。问题在于，在这种情况下，携带电流的究竟是什么。
寂静的地方
在很长一段时间内，许多物理学家都抵制扎宁的“战斗”号召，但菲利普斯不在这个行列。他说：“准粒子模型始终只是一根拐杖，而现在，我们需要丢掉它了。”近些年，有一大批采用了新技术的实验开始凸显朗道的简化模型忽略的所有奇怪之处。
2016年，帕申在休假期间前往莱斯大学，同斯其苗及其同事道格 · 纳泰尔森（Doug Natelson）合作设计了一种可以在效果上“听”到奇异金属内部电流的方法。记录雨滴落到屋顶上发出的噼啪声就能了解雨滴的大小和频率，类似地，测量电流流过奇异金属导线时的波动，就能知晓携带电流的物体的性质。结果，研究人员并没有像预想的那样听到电子或准粒子经过奇异金属时发出的不和谐的噼啪声，相反，他们听到的声音完全和谐一致。电似乎就像一碗无比均匀的汤一样流过奇异金属制成的导线。
这个结果在2023年正式被报告出来，对准粒子概念产生了迄今最为致命的打击。帕申说，这个实验彻底重塑了她对奇异金属内部现象的理解。她过去常把奇异金属内部情况描绘成纷繁复杂的电子相互作用形成的龙卷风。而现在，帕申认为“实际上，奇异金属内部受到严格控制。那是一个寂静的地方”。
还有一些研究人员则找到了探测奇异金属性质更直接的方法。阿米塔奇用远红外光照射奇异金属样本，结果没有发现任何存在准粒子的证据。布里斯托尔大学物理学家斯蒂芬 · 海登（Stephen Hayden）用中子束轰击奇异金属样本，结果发现存在会随样本冷却而变慢的磁性波。这可能意味着，样本正在跃迁至新的状态。阿巴蒙特则试图利用电子枪探索奇异金属材料中电子密度的变化，结果却发现材料内部电荷分布均匀。他说：“没有任何测量方法可以让你知晓系统中有多少电子，它们在奇异金属内部的行为真的很奇怪。”
上面提到的最近展开的这三个散射实验也都表明，奇异金属内部电子不同寻常的行为“不随尺度发生变化”。举例来说，测量奇异金属内部电荷密度随温度变化的波动函数，无论选定的温度变化范围是窄是宽，得到的函数曲线都一样。观测奇异金属内部的物理现象就像聚焦、放大一片雪花：在所有尺度上看，结果都一模一样。
与此同时，物理学家还在与最早开始研究的铜酸盐化合物差别极大的其他材料（比如转动产生的石墨烯片以及镍和铟组成的星形晶格）中发现了同样怪异的电子行为。这样看来，对当前电子理论框架的挑战似乎远不止是一些奇异金属。
2023年，扎宁逝世。将他视作自己最亲密的朋友的菲利普斯说：“扎宁的离去让我们更加急迫地想要解决这个问题。为了扎宁，也为了物理学。”
重构电理论
朗道理论已经深深扎根在现代物理学中，物理学家不确定抛弃这个理论要如何研究电。阿米塔奇说：“我们经常默认一个前提，就是在处理电问题时使用准粒子概念。或许，我们的确需要一种不同的工具，但目前还不知道它应该是什么。”
扎宁生前的研究留下了一些提示。他提出，奇异金属性质的核心是“纠缠”。这种量子现象把粒子的特性联系在了一起，允许它们表现得几乎完全像单个物件一样，即便相隔遥远也能实现交流。扎宁写道：“我们面对的是一种全新的物质形式，它由一个内部所有东西都相互纠缠在一起的系统控制。”
按照扎宁的说法，最大程度纠缠在一起的电子会形成某种弥散在奇异金属中的“液体”，且黏度降至最低。想象把一块石头丢进一碗汤里：汤越稀，石头激起的涟漪消失得越快。现在，奇异金属内部的这锅量子汤黏度达到理论最低，那么它就会以最快的速度耗散能量，这就解释了为什么奇异金属受热时电阻率会上升得那么快。不过，扎宁没有进一步解释这种处于量子纠缠状态的电子汤是怎么形成的。现在，有三位理论物理学家正在推进各自的尝试。
第一位是哈佛大学物理学家苏比尔 · 萨奇德夫（Subir Sachdev）。30年前，他参与开发了一个模拟电子随机相互作用使其进入量子纠缠状态的模型。在2023年发表于《科学》杂志的一篇论文中，萨奇德夫借助上述模型的更新版提出，在奇异金属内部，准粒子会把原子晶格中的电磁波和缺陷散射出去，然后破碎，形成处于高度量子纠缠状态的电子汤。
海登表示，萨奇德夫的理论“似乎很好地解释了我们最近在他的中子散射实验中看到的结果”，尤其是电磁波的行为。帕申则发现，萨奇德夫的这套理论在数学和现象诠释方面“很有吸引力”，但她对这套理论的基础——电子相互作用随机性和晶格缺陷在驱动量子纠缠状态方面的重要作用——并不买账。帕申称，许多奇异金属样本——包括她本人使用的——都极为纯净且规则。
2024年，帕申根据因斯布鲁克大学彼得 · 左勒（Peter Zoller）提出的方法真的探测到了材料内部的量子纠缠态。在斯其苗和维尔茨堡大学物理学家法克尔 · 阿萨德（Fakher Assaad）的帮助下，帕申利用左勒的方法估算了由铈、钯和硅构成的奇异金属内部至少有多少个电子处于量子纠缠状态。他们得到的结果2025年3月以预印本形式发布。帕申说，至少有9个电子处于量子纠缠状态的结果听上去很少，但这其实是非常保守的估算，并且已经是迄今为止我们在所有固态系统中切实记录到的最多数量了。
实验证实奇异金属内部的确可能存在多粒子量子纠缠态之后，斯其苗提出了第二种解释奇异金属怪异性质的理论，并于2025年3月发表在《自然-通讯》（Nature-Communications）上。他认为，金属中的电子可以分为两类：一类是可以自由移动的电子，可以导电；另一类被金属原子牢牢锁定，无法移动，可称为“内部电子”。这两类电子之间存在相互作用。在普通金属中，可以自由移动的电子同内部电子联系在一起，形成准粒子。然而，在奇异金属中，内部电子彼此之间处于极为强烈的量子纠缠状态——帕申的实验已经证实了这一点——因而无法同可以自由移动的外部电子形成联系。斯其苗认为，这就导致准粒子破裂，留下最大程度纠缠在一起的导电电子团，很难穿越晶格——于是就产生了高电阻。不过，如果奇异金属冷却到临界温度以下，这锅被搅动了的电子汤就会重组成超导状态。
帕申计划利用她实验室里的那台蓝色大冰箱在越来越低的温度下执行噪声实验，以验证斯其苗提出的这套理论。她的团队在一间白净得闪闪发亮的洁净室里忙着把材料样品喷涂到薄膜上。等到他们把这些样品切割成导线并装入实验设备后，帕申就会监听噪声，以期听到样品从奇异金属变成超导体时内部量子纠缠状态发生变化的声音。
斯其苗称，这种测量量子纠缠状态的能力其实是一项重大突破，并且已经产出了许多有益的结果。他说：“我觉得，一道原本隐藏的大门正在徐徐打开，这真的是一件很大很大的事儿。”在2025年3月发表的那篇论文中，他用类似的方法计算了在同事阿巴蒙特电子散射实验中观察到的量子纠缠水平，结论是显著高于普通金属内部水平。此外，菲利普斯认为，阿巴蒙特的实验证明，无论奇异金属内部携带电荷的究竟是什么，都没有明确的质量或能量。以此为基础，菲利普斯提出了他对奇异金属性质的解释，也就是第三套理论。
在过去的十年中，菲利普斯提出，在奇异金属内部，携带电流的是某种完全不同于电子（哪怕是处于量子纠缠状态的电子）的东西。至于这种东西究竟是什么，他本人偏爱哈佛大学物理学家霍华德 · 乔治（Howard Georgi）设想的“非粒子”。这是一种仍旧只存在于物理学家想象中的物质形式，相当令人费解。我们知道，目前所有已知的粒子都有明确的静止质量，而非粒子则完全不同，它可以有任何质量，具体如何取决于测量它的方式。菲利普斯称，奇异金属内部的这锅汤如果是由质量可变的非粒子构成的，那就能解释所有那些令人困惑的实验结果了。而且，目前看来，这是唯一的解释方法。不过，他还不确定这种由非粒子构成的汤是怎么产生奇异金属的线性电阻率的。
菲利普斯承认，他的想法比萨奇德夫和斯其苗的更为大胆。身为黑人科学家的他称：“我从来不会做任何被普遍接受的事儿。只要你不是‘普遍’中的一员，这就很容易做到。”菲利普斯显然已经适应了特立独行。
不过，不列颠哥伦比亚大学研究量子相变如何产生全新物质的物理学家梅根 · 阿伦森（Meigan Aronson）说，菲利普斯跳出传统的粒子思维确实符合奇异金属研究圈目前的思考方向。阿伦森称：“我们在学校里学习了与电子相关的理论，所以现在大家都不能抛开这种粒子。”然而，在过去的几十年里，这个领域的突破反复证明了，电子的集体行为可以解释个体电子理论无法解释的现象。同菲利普斯一样，阿伦森怀疑：“在凝聚态物理学中，电子或许不是基本粒子。”
如果扎宁还在世的话，恐怕也会赞同这个观点。他曾写道：“20世纪的物理学总是围着粒子概念兜兜转转。但涉及奇异金属时，再怎么强调粒子概念的误导性都不为过。”
胶水是汤
2025年4月，德国德累斯顿马克斯 · 普朗克复杂系统物理研究所的一次研讨会上，一群热心研究奇异金属的物理学家聚在一起交流想法。斯其苗说，虽然理论物理学家各有各的理论，但总体上，“我们都朝着同一个方向前进”。萨奇德夫、菲利普斯和他都认为，电像弥散的量子汤一样在奇异金属中流动，不存在任何定域的电子准粒子。他们只是在这锅汤的具体成分上存在分歧。
萨奇德夫说：“我觉得我们离彻底了解这些奇异金属已经很近了。我们的观点之间并没有太大矛盾——只是在从不同角度讨论同一头大象。”
同时，理论物理学家也都赞同，更好地认识奇异金属是在更高温度下制造性能更优的超导体的关键。几十年来，研究人员始终在寻找能在更高温度下把电子粘成库珀对的“胶水”。不过，如果电荷真的以互相纠缠的量子团的形式传播，那么过去的这番努力大概是走错了方向。斯其苗说：“如果整个东西都是一锅汤，那根本就不需要胶水。”
斯其苗表示，寻找具有革命意义的超导体的关键就是研究那些在高温条件下导电性极差的材料。他说：“这有点令人难以置信，但这就是奇异金属。”斯其苗认为，奇异金属在高温状态下的高电阻率表明，处于这种状态的电子是“受挫”的，等到冷却到足够低的温度后，它们自然便能重新排列成更舒适的超导状态。斯其苗的目标是把这种相变环境提高到室温温度：“你要尽可能地让这些粒子不开心，这样它们就能重组成我们真正关心的东西，比如某些能拯救世界的物质。”
而在菲利普斯看来，非粒子概念不仅是通往室温超导的道路，也是一套在不借助电子概念的前提下重新思考电现象的理论框架。在德累斯顿举办的这次研讨会上，他写了一黑板的数学推演，描述如何用非粒子概念取代准粒子描述电理论。他说：“你必须不断前进，在理论中展示杀死准粒子的方法。等到真的杀死准粒子之后，就有了一个新的出发点。而这就是我们一直以来寻找的。”
资料来源Science
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本文作者扎克·萨维茨基（Zack Savitsky）是一位科学记者，尤为擅长物理学领域的报道