Een vreemd metaal maakte kwantumverstrengeling zichtbaar op macroschaal

De doorbraak werd niet mogelijk gemaakt door een nieuwe microscoop, maar door een concept uit de kwantuminformatietheorie: kwantum Fisher-informatie (QFI). Oorspronkelijk ontwikkeld door kwantumfysicus Peter Zoller en zijn groep aan de Universiteit van Innsbruck, kwantificeert QFI hoe gevoelig een kwantumsysteem reageert op een kleine verstoring. Als de reactie van een systeem een duidelijk gedefinieerde klassieke limiet overschrijdt – wat betekent dat het sterker reageert dan de som van zijn onafhankelijke delen – dan kan die gevoeligheid alleen ontstaan door kwantumverstrengeling , .

Door dit raamwerk toe te passen, kon het team voor het eerst een directe maat voor verstrengeling extraheren uit een massieve vaste stof. Dit is een scherp contrast met traditionele experimenten die afhankelijk zijn van zorgvuldige toestandsvoorbereiding en extreme isolatie.

Het experiment: neutronen onthullen verstrengelde collectieven

De onderzoekers, geleid door prof. Silke Bühler-Paschen aan de TU Wien, probeerden niet om het hele kristal in een superpositie te plaatsen – een praktische onmogelijkheid voor zo'n groot object. In plaats daarvan gebruikten ze inelastische neutronenverstrooiing bij het Institut Laue–Langevin (ILL) in Grenoble, Frankrijk. Ze ‘bombardeerden’ het kristal met neutronen en observeerden hoe de spins van de deeltjes in het materiaal gezamenlijk bewogen en fluctueerden als functie van energie, momentum en temperatuur. Dit wordt beschreven door de dynamische spin-correlatiefunctie S(q, ω, T) .

Toen ze het QFI-formalisme toepasten op de verstrooiingsdata, waren de resultaten opzienbarend. De collectieve reactie van het kristal was veel te sterk om verklaard te kunnen worden door onafhankelijke deeltjes. De QFI-dichtheid bereikte f_Q = 8,2 ± 0,9 bij de laagst gemeten temperatuur, een waarde die wiskundig overeenkomt met een groep van ten minste negen kwantum-verstrengelde entiteiten die samenwerken. De verstrengeling bereikte een piek bij de koudste temperatuur van het experiment, 60 mK (millikelvin), en nabij een magnetisch veld van ongeveer 1,73 Tesla – precies op het kwantumkritieke punt waar de Kondo-destructie plaatsvindt. Toen het kristal werd afgekoeld van 10 K naar 60 mK, nam de QFI-dichtheid bijna veertigvoudig toe, zonder enig teken van verzadiging. Dit suggereert dat er bij nóg lagere temperaturen mogelijk een nog sterkere verstrengeling zou kunnen bestaan , .

Waarom vreemde metalen vreemd zijn

De resultaten bieden een overtuigend nieuw verhaal voor een van de grootste puzzels in de fysica van de gecondenseerde materie. Vreemde metalen geleiden elektriciteit niet zoals gewone metalen. Hun elektronen lijken hun individuele identiteit te verliezen en vormen een collectieve kwantumsoep. Dit experiment koppelt het instorten van quasideeltjes op een punt van Kondo-destructie-kwantumkriticiteit direct aan een piek in multipartite verstrengeling , . De lineair-met-temperatuur weerstand die vreemde metalen definieert, is misschien niet het gevolg van wanorde of simpele verstrooiing, maar eerder de handtekening van een sterk verstrengelde, collectieve kwantumtoestand.

Van fundamentele fysica naar kwantumsensoren

Naast het verklaren van vreemde metalen, plaveit dit werk een praktisch pad voor kwantumtechnologie. Kwantum Fisher-informatie is niet alleen een detector van verstrengeling; het is ook de centrale grootheid in kwantummetrologie, de wetenschap van ultraprecieze metingen. Een materiaal met een sterke, stabiele interne verstrengeling is een natuurlijk platform voor een extreem gevoelige sensor. Als dergelijke verstrengeling behouden kan blijven bij hogere, meer praktische temperaturen, zouden deze materialen kunnen worden gebruikt voor alles van magnetische velddetectie tot het meten van zwaartekrachtgolven. De studie opent de deur naar het systematisch screenen van andere kwantummaterialen, waaronder mogelijk hogetemperatuursupergeleiders, op macroscopische verstrengeling met behulp van QFI-technieken , .

Samenwerking op het snijvlak van disciplines

De studie was een internationale samenwerking. Het experimentele werk werd geleid door de groep van Silke Bühler-Paschen aan de TU Wien, waarbij promovendus Federico Mazza de neutronenverstrooiing uitvoerde bij het ILL in Grenoble. De theoretische basis werd gelegd door het team van Peter Zoller aan de Universiteit van Innsbruck, met aanvullende bijdragen van Qimiao Si van Rice University, wiens groep al lang het Kondo-destructiemechanisme in Ce₃Pd₂₀Si₆ bestudeert.

Door de abstracte instrumenten van de kwantuminformatie te verenigen met de rommelige realiteit van een massieve vaste stof, heeft het team een brug geslagen tussen twee voorheen ver uit elkaar liggende vakgebieden. Ze hebben natuurkundigen een nieuwe manier gegeven om getuige te zijn van de 'spookachtige werking op afstand' waar Einstein beroemd om twijfelde. Niet in een gecontroleerde vacuümkamer, maar binnenin een klein, glinsterend kristal dat gewoon in het zicht ligt.