許多物質在冷卻到某個臨界溫度以下時，其性質會發生變化。例如，水結冰時就會發生這種相變。然而，在某些金屬中，存在著宏觀世界中不存在的相變。之所以會出現這種相變，是因為量子力學的特殊規律適用於自然界最小的構件領域。人們認為，電子作為量子化電荷載體的概念不再適用於這些奇異的相變。

由局部電子和移動電子組成，在這裡被超短光脈衝擊碎。資料來源：波恩大學

科學家們現在找到了直接證明這一點的方法。他們的發現讓人們對奇異的量子物理世界有了新的認識。波恩大學和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員在《自然-物理》（Nature Physics）雜誌上發表了這篇論文。

了解相變

如果把水溫降到零攝氏度（32 華氏度）以下，它就會凝固成冰。在此過程中，水的性質會突然發生變化。例如，作為冰，它的密度比液態時低得多。這就是冰塊和冰山漂浮的原因。在物理學中，這被稱為相變。

但也有一些相變是物質的特徵逐漸發生變化。例如，如果將一塊鐵磁鐵加熱到760 攝氏度（1400 華氏度），它就會失去對其他金屬塊的吸引力–這時它不再是鐵磁性的，而是順磁性的。然而，這並不是突然發生的，而是持續不斷的： 鐵原子的行為就像微小的磁鐵。

在低溫下，它們彼此平行。加熱時，它們會越來越多地圍繞這一靜止位置波動，直到完全隨機排列，材料也就完全失去了磁性。因此，當金屬被加熱時，它既可能具有一定的鐵磁性，也可能具有一定的順磁性。

漢斯-克羅哈博士教授與學生。圖片來源：Bernadett Yehdou/波恩大學

物質粒子無法被摧毀

可以說，相變是逐漸發生的，直到最後所有的鐵都具有順磁性。在這一過程中，相變的速度越來越慢。這種行為是所有連續相變的特徵。

“我們稱之為’臨界放緩’，”波恩大學貝特理論物理中心的漢斯-克羅哈教授博士解釋說。”原因在於，隨著連續轉變的發生，兩相在能量上越來越接近。”

這就好比把一個球放在斜坡上： 然後球會滾下坡，但高度差越小，滾動越慢。當鐵被加熱時，兩相之間的能量差會越來越小，部分原因是磁化在轉變過程中逐漸消失。

這種”減速”是基於玻色子激發的相變的典型現象。玻色子是”產生”相互作用的粒子（例如，磁性就是基於這種相互作用）。另一方面，物質不是由玻色子構成的，而是由費米子構成的。例如，電子就屬於費米子。

相變的基礎是粒子（或由粒子引發的現象）消失。這意味著，隨著平行排列的原子數量減少，鐵中的磁性會變得越來越小。”然而，費米子無法根據基本自然規律被摧毀，因此也不會消失，”克羅哈解釋道。”這就是為什麼通常情況下，它們從不參與相變”。

電子變成準粒子

電子可以被束縛在原子中；這樣它們就有了一個固定的位置，無法離開。另一方面，金屬中的一些電子可以自由移動，這就是為什麼這些金屬也能導電。在某些奇特的量子材料中，這兩種電子可以形成疊加態。這就是所謂的準粒子。從某種意義上說，它們在同一時間既是不動的，又是可移動的–這只有在量子世界中才有可能實現。

與”正常”電子不同，這些準粒子可以在相變過程中被摧毀。這意味著在這裡也能觀察到連續相變的特性，特別是臨界減速。

迄今為止，這種效應只能在實驗中間接觀察到。由理論物理學家漢斯-克羅哈（Hans Kroha）和蘇黎世聯邦理工學院曼弗雷德-費比希（Manfred Fiebig）實驗小組領導的研究人員現在開發出了一種新方法，可以直接識別相變時的準粒子坍縮，特別是相關的臨界減速。

克羅哈同時也是波恩大學”物質”跨學科研究領域和德國研究基金會”量子計算的物質與光”英才集群的成員。這項成果有助於更好地理解量子世界的相變。從長遠來看，這些發現也可能有助於量子信息技術的應用。