โลหะประหลาดทำให้ควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์ปรากฏให้เห็นได้ในระดับมหภาค

การนำกรอบแนวคิดนี้มาประยุกต์ใช้ทำให้ทีมวิจัยสามารถสกัด 'มาตรวัดเอนแทงเกิลเมนต์' โดยตรงจากของแข็งขนาดใหญ่ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากการทดลองแบบดั้งเดิมที่ต้องเตรียมและแยกสถานะของระบบอย่างพิถีพิถัน

การทดลอง: นิวตรอนเผยกลุ่มก้อนที่พัวพันกันเชิงควอนตัม

คณะนักวิจัยนำโดย ศาสตราจารย์ซิลเคอ บือเลอร์-พาเชน (Silke Bühler-Paschen) จาก TU Wien ไม่ได้พยายามทำให้คริสตัลทั้งก้อนอยู่ในสถานะทับซ้อน (superposition) ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติสำหรับวัตถุขนาดใหญ่เช่นนี้ แต่พวกเขาได้ใช้เทคนิคการกระเจิงนิวตรอนแบบไม่ยืดหยุ่น (inelastic neutron scattering) ที่สถาบัน Institut Laue–Langevin (ILL) ณ เมืองเกรอนอบล์ ประเทศฝรั่งเศส เพื่อวัดฟังก์ชันสหสัมพันธ์ของสปินเชิงพลวัต (dynamical spin correlation function, S(q, ω, T)) ของวัสดุ พูดง่ายๆ ก็คือ พวกเขายิงนิวตรอนใส่คริสตัลและเฝ้าดูว่าสปินของอนุภาคในวัสดุนั้นเคลื่อนที่และแกว่งไปพร้อมๆ กันอย่างไร โดยเป็นฟังก์ชันของพลังงาน โมเมนตัม และอุณหภูมิ

เมื่อพวกเขาใช้ระเบียบวิธี QFI กับข้อมูลการกระเจิงนิวตรอน ผลลัพธ์ที่ได้น่าทึ่งมาก การตอบสนองร่วมกันของคริสตัลนั้นรุนแรงเกินกว่าที่จะอธิบายได้ด้วยอนุภาคอิสระ ความหนาแน่นของ QFI มีค่าสูงถึง f_Q = 8.2 ± 0.9 ที่อุณหภูมิต่ำสุดที่วัดได้ ซึ่งค่าดังกล่าวสอดคล้องทางคณิตศาสตร์กับกลุ่มของ อนุภาคที่พัวพันกันเชิงควอนตัมอย่างน้อย 9 อนุภาค ที่ทำหน้าที่ร่วมกัน เอนแทงเกิลเมนต์มีค่าสูงสุดที่อุณหภูมิต่ำสุดของการทดลองคือ 60 มิลลิเคลวิน (mK) และใกล้สนามแม่เหล็กประมาณ 1.73 เทสลา ซึ่งเป็นจุดวิกฤตควอนตัมอันเป็นจุดที่เกิด 'คอนโด เดสตรัคชัน' (Kondo destruction) พอดี เมื่อคริสตัลถูกทำให้เย็นลงจาก 10 เคลวิน เหลือ 60 มิลลิเคลวิน ความหนาแน่นของ QFI พุ่งสูงขึ้นเกือบ 40 เท่าโดยไม่มีทีท่าว่าจะอิ่มตัว บ่งบอกว่าอาจมีเอนแทงเกิลเมนต์ที่แข็งแกร่งกว่านี้ได้อีกที่อุณหภูมิต่ำลงไปอีก ,

เหตุใดโลหะประหลาดจึงประหลาด

ผลลัพธ์ที่ได้มอบเรื่องราวใหม่ที่น่าสนใจสำหรับหนึ่งในปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์สสารควบแน่น โลหะประหลาดนำไฟฟ้าไม่เหมือนโลหะทั่วไป อิเล็กตรอนของมันดูเหมือนจะสูญเสียอัตลักษณ์ความเป็นปัจเจก กลายเป็นซุปควอนตัมแบบหมู่คณะ การทดลองนี้เชื่อมโยงโดยตรงระหว่างการสลายของอนุภาคเสมือน ณ จุดวิกฤตควอนตัมแบบคอนโด เดสตรัคชัน เข้ากับการเพิ่มสูงขึ้นของเอนแทงเกิลเมนต์หลายอนุภาค , สภาพต้านทานไฟฟ้าที่แปรผันตามอุณหภูมิเชิงเส้นซึ่งเป็นนิยามของโลหะประหลาด อาจไม่ใช่ลายเซ็นของความไม่เป็นระเบียบหรือการกระเจิงแบบง่ายๆ แต่เป็นสัญลักษณ์ของสถานะควอนตัมแบบหมู่คณะที่พัวพันกันอย่างยิ่งยวด

จากฟิสิกส์พื้นฐานสู่เซนเซอร์ควอนตัม

นอกเหนือจากการอธิบายโลหะประหลาดแล้ว งานวิจัยนี้ยังปูทางสู่การประยุกต์ใช้เชิงปฏิบัติสำหรับเทคโนโลยีควอนตัม ข้อมูลควอนตัมฟิชเชอร์ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องตรวจจับเอนแทงเกิลเมนต์เท่านั้น แต่ยังเป็นหัวใจสำคัญของ 'มาตรวิทยาควอนตัม' (quantum metrology) ซึ่งเป็นศาสตร์แห่งการวัดที่แม่นยำสูงยิ่ง วัสดุที่แสดงเอนแทงเกิลเมนต์ภายในที่แข็งแกร่งและเสถียรย่อมเป็นแพลตฟอร์มธรรมชาติสำหรับเซนเซอร์ความไวสูง หากสามารถรักษาเอนแทงเกิลเมนต์ดังกล่าวไว้ได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งใช้งานได้จริง วัสดุเหล่านี้สามารถนำไปใช้ได้ทุกอย่างตั้งแต่การตรวจจับสนามแม่เหล็กไปจนถึงการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง การศึกษานี้เปิดประตูสู่การใช้เทคนิคบนฐาน QFI เพื่อคัดกรองวัสดุควอนตัมอื่นๆ อย่างเป็นระบบ ซึ่งอาจรวมไปถึงตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงเพื่อค้นหาเอนแทงเกิลเมนต์ระดับมหภาค ,

พรมแดนแห่งความร่วมมือ

การศึกษานี้เป็นความร่วมมือระดับนานาชาติ งานทดลองนำโดยกลุ่มวิจัยของซิลเคอ บือเลอร์-พาเชน ที่ TU Wien โดยมีเฟเดริโก มัซซา (Federico Mazza) นักศึกษาปริญญาเอกทำการทดลองการกระเจิงนิวตรอนที่ ILL เกรอนอบล์ รากฐานทางทฤษฎีสร้างขึ้นโดยทีมของปีเตอร์ โซลเลอร์แห่งมหาวิทยาลัยอินส์บรุค พร้อมด้วยทีมงานอีกส่วนหนึ่งจากคิเมี่ยว สี (Qimiao Si) แห่งมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ซึ่งกลุ่มวิจัยของเขาได้ศึกษากลไกคอนโด เดสตรัคชันใน Ce₃Pd₂₀Si₆ มาเป็นเวลานาน

การผสานเครื่องมือเชิงนามธรรมของข้อมูลควอนตัมเข้ากับความเป็นจริงอันยุ่งเหยิงของของแข็งขนาดใหญ่ ทำให้ทีมวิจัยได้สร้างสะพานเชื่อมระหว่างสองสาขาที่ห่างไกลกัน พวกเขาได้มอบวิธีใหม่ให้นักฟิสิกส์ได้เป็นสักขีพยานของ 'ปฏิบัติการลี้ลับ' ที่ไอน์สไตน์เคยเคลือบแคลงใจ ไม่ใช่ในห้องสุญญากาศที่ควบคุม แต่ภายในคริสตัลเล็กๆ ที่ส่องประกายระยิบระยับและวางอยู่ตรงหน้าเรานี่เอง