维也纳理工大学的丝尔克·比勒·帕申实验室里，正发生着一些奇怪的事情。房间的墙壁贴满铜箔，以隔绝电磁波。一台蓝色冰箱从天花板的孔洞中悬垂而下，由机器人减震器支撑——这种减震器能够精准抵消最轻微的震动，包括地下深处驶过的地铁产生的震动。冷凝水从冰箱滴落到一个小黄人主题的儿童泳池中。冰箱内部，一种奇异材料的细如发丝的样本被冷却至仅比绝对零度高千分之一度的温度。这种材料内部发生的现象及其导电方式，是凝聚态物理学中最大的谜团之一。

电子从普通的墙上插座出发，开启了在帕申实验室的旅程。根据标准电学理论，电子会单独或以小簇的形式通过导线流向冰箱。但一旦电子抵达样本——一种由镱、铑和硅组成的化合物——这种简单的图景就崩塌了。该样本属于物理学家所称的“奇异金属”类别。四十年来，物理学家一直困惑于一个事实：在这些化合物中，标准电学理论完全不适用。

帕申实验室和其他机构的最新实验表明，在奇异金属中，电子会失去个体性。“它们神奇地消失了，”她说。相反，电荷似乎以一种扩散的无定形团块的形式穿过金属——就像没有单个水分子的水一样。研究人员仍在争论这种奇异现象的微观细节。但有一点已经很清楚： stakes（此处结合语境译为“意义”）远不止于理解十几种奇异材料。“这确实是一种具有重大意义的神秘状态，”帕申说。

奇异金属的显著特征是，当从低温加热时，其电阻率会比普通金属更高。在更低的温度下——尽管高于传统超导体的温度——它们也会完全失去电阻率，成为超导体。一些研究人员认为，这种高温超导性只是奇异金属性的另一面——它们是同一潜在现象的两种表现。如果是这样，那么通往室温超导体（这一长期追求的目标可能会从电网到交通等技术领域带来革命性变革）的路径，可能需要通过对奇异金属的理解来实现。“你必须先正确理解奇异金属，才能正确理解超导性，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的物理学家菲利普·菲利普斯说，“这是一切的核心。”

但影响不止于制造更好的超导体。一个解释奇异金属的理论可能会迫使人们从根本上重新思考电在所有材料中的工作方式。它可能会像广义相对论（凭借其弯曲时空）包容艾萨克·牛顿的引力理论一样，包容标准理论——并且同样令人不安。奇异金属正迫使物理学家思考，电子的概念，或者更广泛地说，任何粒子的概念，是否是对实际发生情况的过度简化。“这些奇异金属对固体标准理论的违背是如此显著——它就在你眼前，”莱斯大学与帕申合作的物理学家司其乐（Qimiao Si）说，“毫无疑问存在新的物理学。”

这一前景让研究人员充满活力。“奇异金属问题是我们在凝聚态物理学中面临的最困难的问题，”约翰·霍普金斯大学的彼得·阿米蒂奇说，“物理学家什么时候会逃避难题呢？”

准粒子的兴起

固体材料中的电学理论此前已经过革新。在19世纪末发现电子后的几十年里，物理学家将电子视为独立的粒子，它们像弹球一样穿过导体中的原子晶格，与原子发生散射。研究人员知道现实更为复杂——电子由于带负电荷还会相互排斥——但计算无数此类相互作用的影响是不可行的。

1956年，俄罗斯物理学家列夫·朗道找到了一条捷径：他可以将一群电子视为一个单个的更重的粒子，称为“准粒子”，从而至少解释其中一些电子相互作用。它不是一个物理粒子——而是许多粒子共享的一种激发态，就像体育场里站起来的一波球迷。但在数学上，准粒子的行为就像穿过金属的常规粒子，与原子和彼此发生散射。这种散射产生电阻率，而准粒子使更准确地计算电阻率成为可能。朗道的模型被称为费米液体理论，至今仍是关于电流如何流过固体材料的权威理解。

该模型非常出色地描述了元素周期表中金属的性质。也就是说，除了超导性。1911年，莱顿大学的物理学家用液氦将固态汞冷却至比绝对零度高4°C以下时，其电阻率突然降至零。仅朗道的模型无法解释这种行为，但就在他提出该理论一年后，物理学家想出了一个解决办法。

该理论被称为BCS理论，它认为在如此低的温度下，电子会引发超导体原子晶格的振动，从而有效地将电子对粘合在一起，尽管它们之间存在静电斥力。这些库珀对（以BCS理论的一位作者命名）随后会进入它们的最低能量状态。在这种状态下，它们无法从晶格散射，因为这需要它们失去更多能量。因此，它们可以无电阻地流过材料。

这一图景在几十年里都很有效。但1987年，瑞士IBM的物理学家发现，某些铜基化合物（铜酸盐）的超导温度比液氦高约30°C——对于BCS机制来说温度太高了，这一发现再次挑战了该理论。这一次，没有快速的解决办法。直到今天，科学家们还没有确定是什么超强的“胶水”能在如此高的温度下将电子粘合在一起。随着他们不断发现超导温度越来越高的材料，这个谜团变得更加尖锐。

各温度下的奇异特性

“奇异金属”化合物对电流表现出一种令人困惑的电阻率——除了在相对较高的临界温度以下，此时它们会变成超导体。这两个谜团正促使物理学家重新思考电流的流动方式。

- 线性电阻率：在奇异金属中，电阻率从临界温度开始呈直线上升，在临界温度以下则降至零。在普通金属中，电阻率遵循二次曲线。

- 普通金属的电阻率：它来自无数电子与原子以及彼此之间的散射。将电子归为“准粒子”使物理学家能够计算出净结果。

- 传统超导性：在接近绝对零度的温度下，电子会引发原子晶格的振动，将它们束缚成电子对，这些电子对可以无电阻地滑过。

- 奇异金属的电阻率：其电阻率如此之高，以至于电子似乎在真空中散射。相反，电荷可能由量子纠缠粒子的“汤”——或者说没有粒子——来携带。

（图源：A. Fisher/Science）

然而，IBM最初的实验中隐藏着一条线索。当科学家将他们的铜酸盐样本加热到临界温度以上时，他们注意到另一个奇特的特征：电阻率呈直线上升，而不是像所有其他已知金属那样呈指数曲线上升。费米液体理论无法解释这种奇怪的行为。此外，在某些材料中，随着温度进一步升高，电阻率继续稳步上升，而不是趋于平稳（这使得它们成为特别差的导体）。要在朗道的框架内解释如此高的电阻，就需要电子准粒子在比原子晶格中的散射物更短的距离内发生散射，即在原子晶格的空隙中。

逐渐地，物理学家开始意识到，这些被称为“奇异金属”的材料的异常电阻率，与它们的高温超导性一样，都是一个重要的谜团。“这是一个真正好的物理问题的标志：它非常简单，但似乎需要一个重大的概念变革，”UIUC的物理学家彼得·阿巴蒙特说。

2004年，荷兰物理学家扬·扎嫩注意到奇异金属电阻率的另一个特点。材料电阻率的斜率是衡量其将电流以热的形式耗散速度的指标。在普通金属中，电子散射率取决于材料的微观细节。但在奇异金属中，耗散——因此电阻率——似乎总是以最快的可能速率上升。此外，该速率与普朗克常数成正比，普朗克常数是量子力学中的一个关键值，它决定了粒子某些性质的测量精度。扎嫩将其称为“普朗克耗散”，这意味着奇异金属中电子的行为必须反映出朗道的准粒子模型未考虑到的模糊量子效应。

到2019年，普朗克耗散已被证明是铜酸盐的普遍性质。那年，扎嫩起草了一份40页的《宣言》，挑战他的同事们将线性电阻率视为“一种新的、真正基础的物理学的表现”，这需要他们摒弃准粒子模型。

理论家们现在正试图这样做。在2022年《科学》杂志的一篇综述中，菲利普斯领导的一个团队得出结论：至少在奇异金属中，“电子不再是主要的电荷载体。当粒子图景崩塌时，没有局部实体携带电流。”问题是，什么携带了电流。

寂静之地

很长一段时间里，许多物理学家抵制扎嫩的号召。菲利普斯不是其中之一。“准粒子一直是一种拐杖，我们需要扔掉拐杖，”菲利普斯说。最近，一系列新的实验技术开始凸显朗道的简化图景所忽略的所有奇异之处。

2016年在莱斯大学休假期间，帕申与司其乐和他的同事道格·纳特森合作，设计了一种实际上可以“倾听”奇异金属内部电流的方法。就像记录屋顶上雨滴的噼啪声可以告诉你雨滴的大小和频率一样，测量奇异金属导线中电流的波动可以告诉你携带电流的任何东西的性质。研究人员听到的噪音并非来自 passing electrons or quasiparticles（过往电子或准粒子）的不一致噼啪声，而是完全一致的。电流似乎以均匀的“汤”的形式流过导线。

2023年公布的结果对准粒子概念造成了迄今为止最沉重的打击。帕申说，这项实验完全改变了她对奇异金属内部发生情况的心理想象。在她的演讲中，她过去常常将其描绘成电子相互作用的混乱龙卷风。现在，她认为“它实际上是一种非常受控的东西。它是寂静之地。”

其他研究人员也找到了更直接探测奇异金属性质的方法。阿米蒂奇用远红外光照射样本，没有发现准粒子的证据。布里斯托尔大学的物理学家斯蒂芬·海登向它们发射中子束，发现随着样本冷却，磁波会变慢，这表明该材料正在向一种新状态转变。阿巴蒙特用电子枪探索材料中电子密度的变化，却发现电荷分布均匀。“你无法对系统进行任何测量来告诉你其中有多少电子，”阿巴蒙特说，“它们的行为真的非常奇怪。”

丝尔克·比勒-帕申（Silke Bühler-Paschen）手中拿着一块由铈、钯和硅制成的奇异金属。她发现证据表明，其内部电子存在量子力学意义上的纠缠。  

图片来源：MATTHIAS HEISLER/维也纳理工大学*  

这三项最新的散射实验均表明，奇异金属中电子的不同性质具有“标度不变性”。例如，测量电荷密度随温度变化的涨落时，无论在窄温区还是宽温区，其曲线形态始终一致。观察奇异金属内部的物理现象，就像放大一片雪花：所有尺度下的景象都完全相同。  

与此同时，物理学家在与最初的铜酸盐化合物截然不同的材料中，也发现了类似的奇异电子行为迹象，从旋转的石墨烯薄片到镍铟星形晶格均不例外。这对现有电学理论的挑战，似乎已远远超出了几种特殊金属的范畴。  

2023年，扎嫩（Zaanen）因食道癌治疗后陷入昏迷——这是他一生嗜烟的后果，吸烟对他而言早已超越了普通的成瘾（阿巴蒙特说：“尼古丁为他的数学研究提供了动力”）。当他在医院醒来时，家人告诉他，他们已经在筹备他的追悼会。他问自己能否参加。那年夏天，扎嫩在莱顿为自己举办了一场“葬礼”，物理学家们从世界各地赶来赴会。几个月后，他与世长辞。  

“我们所有人都感到迫切需要解决这个问题，很大程度上是因为他的离世，”菲利普斯说，他视扎嫩为挚友，“为了简（Jan，扎嫩的名字），我们必须解决这个问题。”  

重构电学理论  

朗道的理论已根深蒂固，以至于物理学家不确定若没有它该如何讨论电学现象。“我们常用的术语往往预设了电子准粒子的存在，”阿米蒂奇说，“或许需要一个全新的视角，但我们尚不清楚那会是什么。”  

扎嫩的《宣言》留下了一些线索。他提出，奇异金属行为的核心是“量子纠缠”——这种量子现象将粒子的性质关联起来，使它们即使相距遥远也能像一个整体般运作。“我们面对的是一种全新的物质形态，由一个‘万物皆纠缠’的系统所支配，”他写道。  

根据扎嫩的理论，最大程度纠缠的电子会形成一种扩散的“液体”，其黏度低至极限。想象一块石头坠入汤中：汤汁越稀薄，涟漪消散得越快。由于这种量子汤的黏度极小，它会以最快速度耗散能量，这解释了为何奇异金属的电阻率随温度升高而急剧上升。不过，他并未解释这种纠缠电子汤是如何形成的。目前，三位理论家正分别提出不同的假说。  

第一种理论来自哈佛大学物理学家苏比尔·萨赫德夫（Subir Sachdev）。三十年前，他参与开发了电子随机相互作用如何导致纠缠的数学模型。在2023年《科学》的一篇论文中，萨赫德夫利用更新后的模型指出，在奇异金属中，准粒子会因磁波和原子晶格缺陷而散射、碎裂，最终形成高度纠缠的电子汤。  

海登表示，萨赫德夫的理论“似乎很好地解释了我们在近期中子散射实验中观察到的现象”，尤其是磁波的行为。帕申认为该理论的数学推导和解释力“非常吸引人”，但她不认同随机性和晶格缺陷在驱动纠缠中的重要性。她说，包括她自己的样本在内，许多奇异金属样品都极其纯净且结构规则。

维也纳的丝尔克·比勒-帕申实验室墙壁覆有铜层，以屏蔽可能掩盖奇异金属微弱信号的电磁噪音。  

图片来源：DUY HA NGUYEN/维也纳理工大学*  

去年，帕申采用因斯布鲁克大学彼得·佐勒（Peter Zoller）2016年提出的方法，找到了一种直接探测材料内部量子纠缠的方式。她与莱斯大学的司其乐（Qimiao Si）及维尔茨堡大学的法赫尔·阿萨德（Fakher Assaad）合作，利用该技术估算了一块铈-钯-硅奇异金属中存在的最小纠缠量。他们3月发布的预印本结果显示，该材料中至少存在9个电子的纠缠——这一数字听起来很小，但帕申表示这是极为保守的估计，且这也是固态系统中迄今记录到的最强量子纠缠。  

多粒子纠缠的实验验证促使司其乐在3月《自然·通讯》上发表了关于奇异金属的第二种理论。他提出，金属中存在两组电子的相互作用：可自由移动的传导电子，以及束缚在金属原子上的内层电子。在普通金属中，传导电子与内层电子的自旋相互作用形成准粒子；但在奇异金属状态下，内层电子之间的纠缠极其强烈（帕申的实验已证实这一点），以至于它们无法与外层电子“沟通”。司其乐认为，这导致准粒子结构崩塌，形成一团高度纠缠的传导电子云，难以穿过晶格——这正是高电阻率的成因。但如果将材料冷却至临界温度以下，躁动的电子云会重新组织成超导态。  

帕申计划利用她的蓝色大冰箱，在越来越低的温度下开展噪声实验，以探索司其乐提出的这种相变过程。在一间明亮的白色洁净室里，她的团队正忙着将材料样本喷涂到薄膜上。一旦将这些样本切割成导线并装入实验腔，帕申将通过聆听噪声变化，试图捕捉材料从奇异金属转变为超导体时纠缠状态的改变。

在这台机器内部，丝尔克·比勒-帕申的团队正将超薄奇异金属薄膜喷涂到基底上，用于实验研究。  

图片来源：Z. SAVITSKY/SCIENCE*  

司其乐表示，测量量子纠缠的能力是一项突破性进展，已带来新的洞见。“我认为这可能打开了一扇闸门，”他说。菲利普斯对此表示赞同：“这真的是一件大事。”在3月的一篇预印本论文中，他采用类似方法计算了同事阿巴蒙特电子散射实验中观测到的纠缠水平，结论是其纠缠程度**显著高于普通金属**。此外，菲利普斯认为，阿巴蒙特的实验表明，奇异金属中携带电荷的物质既没有明确的质量，也没有固定的能量——这一观点构成了他对奇异金属行为的第三种解释的基础。  

过去十年间，菲利普斯一直主张，奇异金属中的电流载体与电子（甚至是纠缠电子）截然不同。他支持哈佛大学物理学家霍华德·乔治提出的“无粒子”（unparticles）概念——一种令人费解、仍停留在假设阶段的物质形态。与所有已知粒子（静止时具有确定质量）不同，“无粒子”的质量可随测量方式不同呈现任意可能值。菲利普斯认为，只有“可变质量无粒子汤”能解释奇异金属中所有令人困惑的实验数据，但他尚未明确这种“汤”如何产生奇异金属的标志性特征——线性电阻率。  

菲利普斯坦言，自己的理论比萨赫德夫和司其乐的更激进。“我似乎从根本上就无法做那些被广泛接受的事，”他说。作为一名黑人物理学家，他早已习惯了“格格不入”的处境。“当你不属于主流群体时，反其道而行之会更容易，”他说。  

不过，研究量子相变附近新物质形态的英属哥伦比亚大学物理学家梅根·阿伦森指出，菲利普斯对“粒子”概念的摒弃，恰好契合了奇异金属研究领域之外的一种趋势。“我们在学校里学的是电子，所以都对其深以为然，”阿伦森说。但过去几十年，该领域的突破反复表明，电子的集体行为能解释单个电子无法说明的现象。和菲利普斯一样，阿伦森怀疑“电子可能并非凝聚态物理学的基本粒子”。  

扎嫩定会认同这一观点。“20世纪物理学围绕粒子概念展开，”他在《宣言》中写道，“但在奇异金属问题上，‘粒子’这一概念具有误导性，这一点再怎么强调也不为过。”  

胶合剂是团“汤”  

今年4月，在德国德累斯顿马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的研讨会上，几位奇异金属研究领域的学者聚首交流新观点。尽管理论家们保持着良性竞争，但司其乐说：“我们的方向是一致的。”他、萨赫德夫和菲利普斯都认为，电流在奇异金属中以扩散的量子“汤”形式流动，其中不存在局域化的电子准粒子，只是对这团“汤”的具体成分各有见解。  

“我感觉我们已非常接近理解奇异金属，”萨赫德夫说，“这些理论并不矛盾——我们只是从不同角度描述同一头大象。”  

理论家们还一致认为，从奇异金属中获得的新洞见是研制更好、更高温超导体的关键。几十年来，研究者一直致力于寻找能在更高温度下将电子束缚成库珀对的“胶合剂”，但如果电荷实际以纠缠量子团的形式传输，这种努力可能误入歧途。“如果一切本就是一团‘汤’，就不需要胶合剂，”司其乐说。  

司其乐认为，寻找革命性常温超导体的途径，是关注那些在高温下导电性能极差的材料。“这令人难以置信，但这就是奇异金属范式，”他说。奇异金属的高电阻率表明，处于该状态的电子“陷入困境”，而当温度足够低时，它们会自然重组为更稳定的超导态。他的目标是将这种相变温度提升至室温：“让这些粒子尽可能‘ unhappy（受挫） ’，这样它们就能重组为我们实际需要的形态，比如为拯救世界发挥作用。”

菲利普·菲利普斯（Philip Phillips）在思索奇异金属之谜的间隙，以音乐放松身心。  

图片来源：Z. SAVITSKY/SCIENCE*  

对菲利普斯而言，“无粒子”（unparticles）理论不仅可能是通往室温超导体的路径，更是抛开电子概念重构电学理论的关键。在德累斯顿研讨会上，他在黑板上写满数学公式，阐释如何用“无粒子”描述取代准粒子理论。“你的理论必须证明准粒子是如何‘消亡’的，”他说，“如果推翻了准粒子，就有了新的起点——这正是我们一直试图寻找的。”  

一项与物理学无关的业余爱好，为菲利普斯的“创造性破坏”提供了精神支撑。下午3点30分整，他从研讨会抽身：歌剧排练时间到了。在一间窗外樱花盛开的无窗办公室厨房里，菲利普斯展现了他雄浑的男低音。当他用德语吟诵沃尔夫冈·阿马德乌斯·莫扎特《后宫诱逃》中的选段时，茶杯随之震颤。其中一句歌词格外醒目：“我日夜钻研，绞尽脑汁，不看到你覆灭，我绝不罢休。”