Elektroner som slutter å oppføre seg som partikler – men der topologiske egenskaper likevel består. Forskere ved Tekniske universitetet i Wien (TU Wien) har vist at topologi overlever selv når kvasi-partikkelbildet kollapser. Studien er publisert i Nature Physics i januar 2026 og kan endre hvordan vi leter etter nye materialer.

Topologi uten partikler

I flere tiår har fysikken bygget på et partikkelbilde av elektroner: små objekter som beveger seg gjennom materialer med en viss hastighet. Dette har vært grunnleggende for å forstå elektrisk strøm og spesielt for teorier om topologiske materietilstander – et felt som ble belønnet med Nobelprisen i fysikk i 2016.

Nå viser TU Wien at et materiale der partikkelbildet bryter sammen likevel kan ha topologiske egenskaper. Funnet antyder at topologi er mer fundamental og mer utbredt enn antatt.

«Et eple er topologisk ekvivalent med et rundstykke, fordi rundstykket kan formes kontinuerlig til formen av et eple. Et rundstykke er topologisk forskjellig fra en donut, fordi donuten har et hull som ikke kan skapes ved kontinuerlig deformasjon.» – professor Silke Bühler-Paschen, TU Wien

Slike robuste mønstre i energier, hastigheter og spinn er kjent for å tåle ufullkommenheter – på samme måte som en donut ikke kan bli et eple med små endringer.

Materialet ved randen av absolutt null

Forskerne studerte forbindelsen CeRu₄Sn₆. Nær absolutt nullpunkt viser dette materialet kvantekritisk oppførsel og fluktuerer mellom to tilstander.

«Nær absolutt null viser materialet en spesifikk type kvantekritisk oppførsel. Materialet fluktuerer mellom to forskjellige tilstander, som om det ikke kan bestemme seg for hvilken det vil ha. I dette fluktuerende regimet mister kvasi-partikkelbilledet sin mening.» – Diana Kirschbaum, førsteforfatter

I denne tilstanden mister ladningsbærerne sin partikkellignende natur: De har verken en veldefinert posisjon eller en enkelt, veldefinert hastighet. Det bryter med forutsetningene i mange klassiske teorier for topologiske tilstander.

Signalet som avslørte topologien

Ved temperaturer under én grad over absolutt null dukket et tydelig signal opp: en spontan (anomal) Hall-effekt. Normalt skyldes Hall-effekten at ladningsbærere avbøyes i et magnetfelt – men her kom effekten uten ekstern magnetisk påvirkning, drevet av materialets topologiske egenskaper.

«Dette var nøkkelinnsikten som tillot oss å demonstrere utvilsomt at det rådende synet må revideres.» – Silke Bühler-Paschen

«Og det er mer. Den topologiske effekten er sterkest nøyaktig der materialet viser de største fluktuasjonene. Når disse fluktuasjonene undertrykkes av trykk eller magnetfelt, forsvinner de topologiske egenskapene.» – Diana Kirschbaum

Teori og nytt designprinsipp

Forskerne beskriver fasen som et emergent topologisk semimetall. Sammen med Rice University i Texas – der Lei Chen (medførsteforfatter) arbeider i professor Qimiao Si sin gruppe – utviklet de en modell som kobler kvantekritikalitet til topologi.

«Faktisk viser det seg at et partikkelbilde ikke er nødvendig for å generere topologiske egenskaper. Konseptet kan faktisk generaliseres – de topologiske forskjellene dukker da opp på en mer abstrakt, matematisk måte. Og mer enn det: våre eksperimenter antyder at topologiske egenskaper til og med kan oppstå fordi partikkellignende tilstander er fraværende.» – Silke Bühler-Paschen

Hva betyr dette?

• Topologi uten kvasi-partikler: Topologiske egenskaper kan eksistere selv når partikkelbildet mister mening.
• Fluktuasjoner som drivkraft: Effekten er sterkest der kvantefluktuasjonene er størst – og forsvinner når de undertrykkes av trykk eller magnetfelt.
• Nytt søkestrategi: Kvantekritiske materialer blir en målrettet arena for å finne flere «emergente» topologiske systemer.
• Teknologisk potensial: Stabiliteten i topologiske effekter gjør dem attraktive for kvantedatalagring, avanserte sensorer og metoder for å lede strøm uten magnetfelt.

Konklusjon: TU Wiens funn utvider rammene for hva topologi i materialer kan være – selv uten partikler. Det åpner for en mer treffsikker jakt på nye topologiske materialer i kvantekritiske systemer. Kilder: ScienceDaily, TU Wien, Nature Physics, myScience.at.