在传统的三维粒子物理学中，基本粒子通过其自旋的量子性质来分为费米子和玻色子。费米子的自旋值是半整数，如电子、质子和中子，而玻色子的自旋值则为整数，像光子和胶子。费米子不能在同一量子态中共存，这一现象也正是“泡利不相容原理”的体现。相比之下，玻色子则能够同时占据同一量子态，这也是光子能够自由穿透彼此的原因。

然而，这种在三维空间中的粒子划分在二维和一维空间中并不适用。在二维空间中，存在一种特殊的准粒子，称为“任意子”（anyon）。任意子的性质介于玻色子和费米子之间，具有不同的交换统计。在1960年代，物理学家就提出了这一概念，但直到2020年，科学家才在实验中观察到了任意子的存在。此次实验是在二维半导体材料中进行的，并成功证实了这种粒子的理论预测。对此，美国物理学家弗兰克·威尔切克表示，“玻色子和费米子已经被我们熟知，而现在，任意子为我们打开了新的一扇大门。”

此后，科学家们继续在这一领域取得进展，尤其是在低维空间中对任意子的探索。2020年，冲绳科学技术研究所（OIST）和俄克拉荷马大学的科学家们在一维空间中发现了任意子的存在，并在两篇《物理评论A》期刊上的论文中描述了其可调性和相关性质。这一研究为任意子的实验验证和理论发展提供了新的视角，揭示了在一维空间中粒子行为的独特性。

在研究中，科学家们发现，一维空间中粒子的运动受到了极大限制。这种限制使得粒子之间的交换因子（交换规则）与三维空间中的不同。在三维空间中，当两个粒子交换位置时，其交换因子通常是±1，分别代表玻色子和费米子的交换行为。然而，在二维和一维空间中，这一规则变得更加复杂，交换因子可以取介于-1和1之间的任何值，这使得任意子成为了可能。研究人员指出，这种现象的出现与粒子在低维空间中的局限性密切相关。

通过对这些新发现的粒子特性进行研究，科学家们不仅验证了任意子在一维空间中存在的可能性，还展示了如何调节这些粒子的交换统计特性。布什教授在新闻声明中表示：“我们不仅发现了在一维空间中存在任意子的可能性，还提出了如何控制它们交换统计的方法。这为我们理解量子世界的基本属性提供了新思路。”

这些研究表明，任意子作为第三类粒子，其存在和行为为我们深入理解粒子物理学提供了崭新的角度。它不仅挑战了我们对粒子分类的传统认知，也为未来的物理学研究提供了广阔的空间。随着对这一新类粒子性质的进一步探索，我们有理由期待它们为量子计算、物质科学以及基础物理学领域带来的革命性突破。

本文译自：popularmechanics，由olaola编辑发布

一种原本被认为不可能出现的量子物质状态，竟然在一种“出乎意料”的材料中被观测到，这一发现正在迫使物理学家重新审视电子在材料中行为的基本前提。

这项由国际科研团队完成的研究，不仅在基础物理层面带来冲击，也被认为有潜力推动量子计算、提升电子器件效率，并为高灵敏度传感和成像技术铺路。

研究对象是一种由铈、钌和锡组成的化合物 CeRu₄Sn₆。此前理论预测，它在极低温条件下可能进入一种被称为“拓扑半金属”的特殊相，但这种状态是否真实存在，一直缺乏实验证据。如今，科学家首次在实验中捕捉到了这一现象。

当温度接近绝对零度时，CeRu₄Sn₆ 会进入所谓的“量子临界”状态。在这一极端条件下，材料不再稳定地处于某一相态，而是在不同相变边界之间徘徊，量子涨落占据主导地位。此时，电子的行为不再像独立的粒子，而更像是一片起伏不定的波动整体。

研究的关键突破在于，量子临界性并没有破坏电子的有序行为，反而促成了一种全新的量子态。传统观点认为，拓扑态依赖于清晰的粒子描述，而量子临界状态恰恰缺乏这种“粒子性”。然而，这项研究显示，两者并非互斥，而是可以在合适条件下共存，甚至相互强化。

美国莱斯大学的物理学家思启苗表示，这是一次根本性的进展。研究结果表明，强烈的量子效应可以协同作用，产生前所未有的物质形态，这可能对未来的量子科学发展产生深远影响。

在物理学中，拓扑学关注的是材料内部结构的几何特征。某些拓扑结构能够“保护”电子的性质，使其不易被杂质或相互碰撞所破坏。通常，人们需要将这些性质理解为类似粒子的行为，但在量子临界环境下，这样的描述原本被认为行不通。

然而，实验结果打破了这一认知。研究人员在对 CeRu₄Sn₆ 进行极低温冷却并通电后，观测到了一种异常的霍尔效应：电流在没有外加磁场的情况下发生了横向偏转。这种现象被认为是拓扑效应的明确标志，说明材料内部存在一种内在机制在引导电子运动。

维也纳工业大学的物理学家西尔克·比勒-帕申指出，正是这一发现，使研究团队能够确信，长期以来的主流看法需要修正。更令人意外的是，拓扑效应在电子分布最不稳定的区域最为强烈，量子临界涨落反而起到了稳定这种新相态的作用。

研究人员认为，这一结果填补了凝聚态物理中的一个重要空白，证明强电子相互作用不仅不会摧毁拓扑态，反而可能孕育出全新的拓扑量子相。这种状态不仅在理论上意义重大，也可能在实际应用中展现出独特优势。

接下来，团队计划在其他材料体系中寻找类似现象，以判断这种量子态是否具有更广泛的普适性。同时，他们也希望进一步解析其中的拓扑结构，并明确实现这种状态所需的精确条件。

思启苗总结说，这项工作不仅加深了人们对量子物质的理解，也为未来系统性探索和开发真正基于量子物理核心原理的技术迈出了重要一步。

来源：sciencealert（编译 / 整理：olaola）