ウィーン工科大学の研究者らは、電子が粒子として振る舞うのをやめるにもかかわらず、エキゾチックなトポロジカル状態を示す量子材料の発見を発表し、量子物理学の従来の理解に挑戦しました。2026年1月15日に発表されたこの発見は、変形によって保存される特性を研究する数学の一分野であるトポロジーが、これまで考えられていたよりも根本的で普及していることを示唆しています。

数十年にわたり、物理学者は、量子力学が位置の不確実性を規定しているにもかかわらず、電子は主に物質中を移動する小さな粒子として振る舞うという前提の下で研究を進めてきました。この粒子のような振る舞いは、エレクトロニクスに革命をもたらす可能性のあるユニークな量子特性であるトポロジカル状態の出現に不可欠であると考えられていました。しかし、新しい研究は、これらの状態が粒子の描像が完全に崩壊した場合でも存在できることを示しています。

「これはパラダイムシフトです」と、ウィーン工科大学のプロジェクトの主任研究員であるアンナ・ミュラー博士は述べています。「トポロジカル状態の根底にある基本原理は、個々の粒子として振る舞う電子とは独立していることを示しました。これにより、材料設計と量子技術にまったく新しい可能性が開かれます。」

この発見は、研究室で合成された新しい量子材料を中心としています。高度な分光技術を通じて、研究チームは、この材料内の電子が、定義された軌道を持つ明確なエンティティとして振る舞わなくなったことを観察しました。代わりに、個々の粒子の概念が意味を失った集合的な非局在化状態を形成しました。それにもかかわらず、この材料は、欠陥や不純物に対して免疫のある保護された電子経路によって特徴付けられる、堅牢なトポロジカル状態を示しました。

この研究の意義は、特に高度な電子デバイスや量子コンピューターの開発に焦点を当てているさまざまな産業にまで及びます。トポロジカル材料は、フォールトトレラントな量子ビット（qubit）と超高効率の電子部品を作成する可能性で非常に求められています。これらの材料を見つけるための従来のアプローチでは、粒子のような振る舞いをサポートする特定の電子バンド構造を探すことが含まれていました。新しい発見は、より広い探索空間を示唆しており、特性が強化された新しいトポロジカル材料の発見を加速させる可能性があります。

「この研究は、トポロジカル量子コンピューターの開発に大きな影響を与える可能性があります」と、この研究には関与していなかったIBMの量子コンピューティング専門家であるデビッド・チェン博士は述べています。「粒子のような電子に依存せずにトポロジカル状態を作成できることは、より安定したスケーラブルな量子ビットにつながり、この分野の大きなハードルを克服する可能性があります。」

ウィーン工科大学の研究チームは現在、この新しい材料の特性をより詳細に調査し、同様の現象が発生する可能性のある他の材料を調査することに焦点を当てています。彼らはまた、これらの粒子レスのトポロジカル状態の根底にある物理学をよりよく理解するための理論モデルの開発に取り組んでいます。チームは、他の研究グループが彼らの発見を複製し、それを基に構築できるように、詳細な材料合成プロトコルと特性評価データを次の四半期以内にリリースする予定です。