大约40年前，物理学家发现，有一些金属表现出了现有理论无法解释的反常导电性质。如今，新研究结果正促使我们重新认识电流的本质。
在20世纪80年代中期，一项意想不到的发现引发了科学史上最狂热的研究热潮之一。研究人员发现，有一些材料能在比以往所见高得多的温度下转变成超导体。所谓超导体，就是以零电阻传导电流的材料。几乎在一夜之间，世界各地的实验室都搁置了手头的研究项目，争相去寻找其他类似的超导材料。报纸则纷纷宣告，一个零损耗输电、磁悬浮列车和超级计算机的时代即将到来。短短一年内，相关的发现便已经获得了诺贝尔物理学奖。
然而，在这股热潮中，这些新材料的另一种奇特性质很容易被忽视。即使温度高到无法真正进入超导态，这些材料仍会以一种反常的方式导电，表现出任何理论都无法解释的电阻特性。这种现象后来被称为“奇异金属现象”。它虽然令领域内的许多研究人员着迷，但与电阻完全消失的超导现象相比，奇异金属在当时仍只是一个不受重视的插曲。
40年后的今天，我们仍未弄清高温超导的原理，也未能找到能在室温常压下实现超导的材料。然而，与高温超导密切相关的奇异金属现象却逐渐成为研究的焦点。为了理解这种现象，物理学家不得不重新审视有关电流传导的关键假设。在这期间甚至引入了一系列看似离奇的概念，从“量子汤”到黑洞，不一而足。
如今，实验方面的进展或许正让我们逐步接近答案。越来越多的迹象表明，研究奇异金属不仅能解释其特殊的导电性质，也可能有助于我们解释超导现象。哈佛大学的理论物理学家苏比尔 · 萨赫德夫（Subir Sachdev）说：“其中一定隐藏着问题的答案。”
关于金属导电最普遍的解释是，它们之中充满了可以自由移动的带单个负电荷的粒子，也就是电子。电子的数量非常庞大：仅仅1厘米长的普通家用电线中，就含有大约相当于一片海滩上沙粒总数的自由电子。连接上电池后，这些电子会受到负极的排斥以及正极的吸引，从而产生了电流。
这就是我们许多人在学校里学到的关于电流的粗略物理图景。而对于物理学家来说，关于电流更深入的理解源于理论物理学家列夫 · 朗道（Lev Landau）在20世纪50年代提出的“准粒子”概念。要想理解这些准粒子，可以想象下体育场里的“人浪”：每个人只是在原地不断站起和坐下，但从整体上来看，他们形成了一股沿着某个方向不断传播的浪潮。按照朗道的理论，真正传导电流的并不是单个电子，而是一种类似于电子的准粒子。它是材料内部众多粒子相互作用激发产生的，可以在材料中传播。
与基本粒子类似，电子准粒子也会像台球那样发生碰撞和散射，但利用准粒子进行计算要容易得多，而且结果极为准确。70年来，准粒子理论帮助我们准确预测了我们感兴趣材料的几乎所有性质，从热容、电导率再到磁化率，无不如此。这一理论的成功使理论物理学家相信，材料的所有物理性质，包括导电性和电阻，从根源上都来自一个个粒子状物体之间的相互作用。萨赫德夫说：“整个电子工业，包括我们口袋里的iPhone，都是建立在这一理论的成功之上的。”
事实上，准粒子在材料中并不能畅通无阻地运动。在接近室温时，原子结构中的振动会阻碍准粒子的运动，从而产生电阻；而在较低温度下，电阻则主要来自准粒子之间的相互散射。20世纪80年代，出现了一个令人振奋的发现，即某些材料即使在准粒子散射效应本应非常显著的温度下，也能够进入超导态。
奇异金属的反常之处则更为微妙。在低温条件下，大多数导体的电阻会随温度的平方而增大。也就是说，温度升高一倍，电阻便会变为原来的四倍。对于大部分的材料学家来说，这似乎很直观，因为温度会影响决定电阻率的两个关键因素：可以参与碰撞的电子数量，以及碰撞后电子可进入的状态数量。这两个因素都取决于温度，因此电阻与温度的平方成正比。
因此，如果画出普通金属的电阻随温度变化的曲线，得到的必然是一条向上弯曲的曲线。然而，在奇异金属中，电阻随温度变化的曲线却是一条直线。在准粒子理论中，找不到任何相关的机制能够产生这种趋势，物理学家越是对此深入思考，就越是感到困惑。已故的理论物理学家约瑟夫 · 波钦斯基（Joseph Polchinski）曾写道：“没有任何算符或物理过程能够产生电阻与温度的线性依赖关系。”他还把奇异金属称为“来自地狱的导体”。
部分研究人员认为，答案其实并没有那么复杂，毕竟电阻与温度呈线性关系并非完全没有先例。铜在室温下就表现出这种趋势，此时金属内部的晶格振动是电阻最主要的来源。这种振动通常被视为一种简单的阻碍因素。温度越高，材料的振动就越剧烈，因此电阻与温度呈线性关系。2025年，哈佛大学的埃里克 · 赫勒（Eric Heller）等人提出有力论证，认为奇异金属的反常现象可能正是由这些振动造成的。然而，大多数物理学家仍对此持怀疑态度，因为奇异金属的特性在低温下依然存在，而这些振动早已被理论预测会冻结消失。
另一种稍显激进的解释认为，奇异金属中的电子可能在不同形式的有序态之间涨落。这种情况会出现在相变的临界点附近，此时材料的内部结构正在进行重组。例如，电子一种名为“自旋”的量子属性可能集体指向了同一方向，就像在磁体中那样。在相变的临界点附近而尚未明确偏向某一种有序态时，电子会短暂聚集成不断变换的集体结构，如同飞行中的椋鸟群不断地变换队形。关键在于，这种临界涨落的强度通常与温度呈线性关系。“可能正是这些涨落产生了电阻。”英国布里斯托大学的斯蒂芬 · 海登（Stephen Hayden）说。
这可能是一个富有深意的结果，但距离得出定论还很遥远。海登说：“我们面临的关键问题是，能否把它纳入某个理论框架之中。”而这正是问题的棘手之处，也是奇异金属现象挑战我们对电流和电阻最根本认知的地方。椋鸟群的飞行并不取决于某一只鸟，这是整个鸟群作为一个整体的行为。同样，如果涨落是奇异金属中电阻的驱动因素，那么起关键作用的就不再是准粒子，也不是任何类似粒子的对象，而是所有电子共同参与形成的集体模式。那么，如果电阻并非来自某种粒子之间的碰撞，它究竟又是什么呢？
萨赫德夫尝试用另一种理论来回答这个问题。他的探索始于20世纪90年代初，当时他与现任职于美国密西西比州立大学的叶锦武合作——两位理论物理学家构想了一个被刻意简化的系统：它没有空间维度，也没有任何原子结构，基本上只是一个点，其中每个电子都与其他所有电子相连接。在这个模型中，任何电扰动都会以与温度成正比的速率衰减——哪怕系统中并不存在独立运动的粒子，甚至都没有供它们穿行的空间。不过，这一模型与真实的金属相去甚远。萨赫德夫回忆说，当时不少人对此持怀疑态度：“我的同事大概会想，这难道是萨赫德夫拿来自娱自乐的某种稀奇的东西？”
在萨赫德夫和叶锦武的模型被冷落的同时，奇异金属的问题却变得越来越迫切。最初，这种现象只在铜氧化物材料，也就是“铜酸盐”中被发现。随后，在2009年，加拿大舍布鲁克大学的路易斯 · 泰勒弗（Louis Taillefer）及其同事在另一类被称为铁基砷化物的材料中也观察到了奇异金属现象。十年后，加州大学圣巴巴拉分校的安德烈亚 · 扬（Andrea Young）和纽约哥伦比亚大学的科里 · 迪恩（Cory Dean）带领的团队，在扭曲的双层石墨烯中同样发现了这一现象。就在几年前，美国斯坦福直线加速器中心的哈罗德 · 黄（Harold Hwang）及其同事又将镍酸盐化合物加入了这份名单。然而，理论物理学家仍难以提出一种不依赖粒子图景的电阻理论。
随后，理论物理学中一个意想不到的领域带来了突破的线索。在20世纪90年代末，弦理论学家发现了一种数学方法，可以用包围某个空间区域的边界上发生的物理过程来完美描述这个区域内部的一切。这种被称为“全息”的思想看似奇特，却为一些极其棘手的问题提供了新的研究视角，其中就包括黑洞的本质问题。按照全息理论，黑洞内部发生的一切都可以完整地记录在事件视界上。事件视界指的是连光也无法逃脱的黑洞的边界。
尽管黑洞与实验室中的金属丝看似相去甚远，但剑桥大学的肖恩 · 哈特诺尔（Sean Hartnoll）等理论物理学家认为，两者之间可能存在某种联系。从2000年代末开始，哈特诺尔等人证明，在某些全息模型中，可以把奇异金属内部的电流类比成光在黑洞事件视界周围传播，并持续地将一部分动量传递给黑洞内部。
没有人会认为奇异金属就是黑洞，但这些研究表明，全息理论或许能为理解奇异金属内部的物理机制提供一个切入点。2015年，加州理工学院的理论物理学家阿列克谢 · 基塔耶夫（Alexei Kitaev）在一份报告中介绍了一种特殊的全息模型。后来，研究人员意识到，这一模型与萨赫德夫和叶锦武早期的研究惊人地相似。理论物理学家由此开始更加重视他们的那项工作，并在此基础上发展出一系列越来越接近真实材料的“SYK模型”。“SYK”这一名称来自萨赫德夫、叶锦武和基塔耶夫三人姓氏的首字母。“突然之间，我们最初那篇论文每年的引用量达到了几百次。”萨赫德夫说。
耐人寻味的是，SYK模型不仅预言了电阻会随温度线性上升的关系，还在更深层面上分析表明，在奇异金属中，电流会以一种仅取决于温度和普朗克常数的速率损失动量。普朗克常数即确定量子效应尺度的基本常数。这仿佛意味着，电阻受到了某种普适量子速度极限的制约，而与具体奇异金属的化学组成似乎完全无关。
铜酸盐是一类以铜氧化物为基础且能在高温下表现出超导性的陶瓷材料
这一结论的令人不安之处在于，对于奇异金属中电流的本质，可能并不存在一个直观易懂的答案。按照SYK模型，物理学家最多只能把它看作一种“量子汤”，只遵循那些不涉及单个粒子的普适定律。从某种意义上说，这回归到了19世纪关于导电的物理图景中。当时，科学家认为电就像一种流体。后来，原子理论补充了这一图景的微观细节，使诸如黏滞性等关键性质可以得到预测。自此以后，物理学家逐渐习惯于认为，所有宏观行为都建立在清晰而直观的微观物理基础之上。而如今若要舍弃这种微观基础，萨赫德夫说：“就像是脚下的地毯突然被抽走一样。”
问题在于，奇异金属的导电性质是否真的与单个粒子无关，还是说全息物理只是一层表象，背后隐藏着某种尚未被发现的、更基础且更具有粒子性的机制。而事实证明，或许有办法对此作出明确的判断。
通常，当微弱的电流通过导体时，会产生一定程度的电噪声，即“散粒噪声”。其基本思想是，如果电流确实由粒子携带，那么每个带电粒子的到达就像雨滴接连打在窗户上，会形成细碎而离散的噪声。美国莱斯大学的实验物理学家道戈 · 奈特森（Doug Natelson）说：“而如果不是，那么就是一种非常像汤的状态，基本上不应该出现任何散粒噪声。”
2023年，奈特森的团队尝试在一种已知的由奇异金属制成的高纯度导线中测量散粒噪声。然而，结果并不完全明朗：测得的散粒噪声远低于他们的预期，却并非零。或者可以说，这就像一锅“量子汤”里偶尔夹杂着几块电子“面包块”。“这真的很有意思。”奈特森说。而其他研究团队，例如印度科学研究所的阿宁迪亚 · 达斯（Anindya Das）正尝试在不同材料中重复这项实验。理论物理学家仍未就实验结果的含义达成共识。萨赫德夫等一些人认为，被抑制的散粒噪声证明奇异金属确实是一种量子汤。而另一些研究人员则认为，海登提出的短暂集体模式仍能解释这一结果。
物理学家或许不得不放弃使用直观的微观模型解释电流，而只是把它描述为一种奇异的量子流体
此外，还有一个更重大的问题，而且正是这个问题在20世纪80年代令科学家兴奋不已：如果我们正在建立一幅关于奇异金属导电机制的新图景，那它能否为我们实现室温超导的方式提供一些启示呢？
这或许是可以的。几年前，萨赫德夫及其同事发现，一个经过改进的SYK模型能够同时预测同一系统中奇异金属的电阻以及温度进一步降低后出现的超导相。萨赫德夫目前正尝试把铜酸盐等特定材料的物理性质重新引入模型，希望证明奇异金属现象和超导现象其实是同一锅量子汤的两种表现。不过，关键问题仍未解决：这一模型尚无法预测超导会在什么温度下出现，也无法指出哪种材料最有可能在接近室温时表现出超导性。
尽管如此，在高温超导和奇异金属被发现40年后的今天，物理学家已经提出了多种尝试理解它们的思路。从集体涨落到全息理论，这个谜团已不像过去那样难以破解。“希望这些理论能够以正确的方式结合起来，最终为揭示其中的真相带来一些曙光。”哈特诺尔说。
资料来源 New Scientist
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本文作者乔恩·卡特莱特（Jon Cartwright）是英国科学记者，长期为《新科学家》杂志撰写宇宙学、材料学和量子科学相关文章，曾在《物理世界》（Physics World）担任编辑