Впервые квантовая запутанность обнаружена в сантиметровом кристалле: странный металл делает «жуткое действие» видимым

Прорыв стал возможен не благодаря новому микроскопу, а благодаря концепции из квантовой теории информации — квантовой информации Фишера (КИФ). Изначально разработанная квантовым физиком Петером Цоллером и его группой в Университете Инсбрука, КИФ количественно оценивает, насколько чувствительно квантовая система реагирует на малое возмущение. Если отклик системы превышает четко определенный классический предел — то есть она реагирует сильнее, чем простая сумма независимых частей, — такая сверхчувствительность может быть обусловлена только квантовой запутанностью , .

Применив этот подход, команда впервые смогла извлечь прямую меру запутанности из массивного твердого тела. Это разительно отличается от традиционных экспериментов, требующих тщательной подготовки и изоляции квантовых состояний.

Эксперимент: нейтроны раскрывают тайны квантового коллектива

Исследователи под руководством профессора Силке Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen) из ТУ Вены не пытались поместить весь кристалл в суперпозицию — задача, практически невыполнимая для столь крупного объекта. Вместо этого они использовали метод неупругого рассеяния нейтронов в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле (Франция), чтобы измерить динамическую спиновую корреляционную функцию материала S(q, ω, T). Говоря проще, они бомбардировали кристалл нейтронами и следили за тем, как спины частиц коллективно колеблются в зависимости от энергии, импульса и температуры .

Когда ученые применили формализм КИФ к данным рассеяния, результат оказался ошеломляющим. Коллективный отклик кристалла был слишком сильным, чтобы его можно было объяснить поведением независимых частиц. Плотность КИФ достигла значения f_Q = 8,2 ± 0,9 при самой низкой измеренной температуре — это математически соответствует группе из как минимум девяти квантово-запутанных сущностей, действующих как единое целое. Запутанность достигла пика при экстремально низкой температуре 60 мК (милликельвинов) и вблизи магнитного поля примерно 1,73 Тесла — точно в точке квантовой критичности, где происходит разрушение эффекта Кондо. При охлаждении от 10 К до 60 мК плотность КИФ взлетела почти в 40 раз, не показывая признаков насыщения, что намекает на возможность еще более сильной запутанности при дальнейшем охлаждении , .

Почему странные металлы такие странные

Результаты рисуют убедительную картину для одной из главных загадок физики конденсированного состояния. Странные металлы проводят электричество иначе, чем обычные. Их электроны словно теряют индивидуальность, образуя коллективный «квантовый суп». Эксперимент напрямую связывает крах квазичастиц в точке квантовой критичности Кондо с резким усилением многочастичной запутанности , . Линейное по температуре сопротивление, типичное для странных металлов, может быть не результатом рассеяния на дефектах, а сигнатурой глубоко запутанного коллективного квантового состояния.

От фундаментальной физики к квантовым сенсорам

Помимо объяснения природы странных металлов, работа открывает практический путь для квантовых технологий. Квантовая информация Фишера — не только детектор запутанности, но и центральная величина в квантовой метрологии — науке о сверхточных измерениях. Материал, демонстрирующий сильную и стабильную внутреннюю запутанность, является природной платформой для высокочувствительного сенсора. Если такую запутанность удастся поддерживать при более высоких, практически достижимых температурах, эти материалы могут применяться повсеместно — от детектирования магнитных полей до поиска гравитационных волн. Исследование открывает дорогу к систематическому скринингу других квантовых материалов, включая потенциальные высокотемпературные сверхпроводники, на предмет наличия макроскопической запутанности , .

Международный прорыв

Проект стал результатом международной коллаборации. Экспериментальную работу возглавила группа Силке Бюлер-Пашен в ТУ Вене, а ключевые измерения нейтронного рассеяния в ILL (Гренобль) провел аспирант Федерико Мацца. Теоретический фундамент заложили Петер Цоллер и его коллеги из Университета Инсбрука, а значительный вклад в понимание механизма разрушения Кондо в Ce₃Pd₂₀Si₆ внесла группа Кимиао Си из Университета Райса.

Объединив абстрактный инструментарий квантовой теории информации с «грязной» реальностью цельного твердого тела, исследователи построили мост между двумя, казалось бы, далекими мирами. Они подарили физикам новый способ наблюдать «жуткое действие», в котором сомневался Эйнштейн, — не в изолированной вакуумной камере, а внутри маленького сверкающего кристалла, лежащего на лабораторном столе.