Дивний метал зробив квантову заплутаність видимою на макрорівні

Десятиліттями квантова заплутаність була делікатним явищем, обмеженим мікроскопічним світом фотонів та атомів. Епохальний експеримент, опублікований 16 червня 2026 року в журналі Nature Physics, змінив це уявлення. Фізики з Віденського технічного університету (TU Wien) виявили високий ступінь справжньої багаточастинкової квантової заплутаності всередині сантиметрового кристала дивного металу — об'єкта, достатньо великого, щоб тримати його в руці та бачити неозброєним оком. Це відкриття не лише розширює межі макроскопічних квантових явищ, але й дає потужне нове пояснення загадкової поведінки дивних металів , .

Матеріал: Дивний метал із квантовим секретом

Кристал у центрі експерименту — Ce₃Pd₂₀Si₆, сполука з важкими ферміонами, що складається з церію, паладію та кремнію. Цей матеріал уже добре відомий у фізиці конденсованих середовищ тим, що демонструє «квантову критичність із руйнуванням ефекту Кондо» — явище, коли звична квазічастинкова поведінка електронів порушується в точці квантового фазового переходу , . Дивні метали, подібні до цього, не підкоряються стандартним теоріям електропровідності, демонструючи електричний опір, який лінійно зростає з температурою у спосіб, що його неможливо пояснити незалежними, електроноподібними квазічастинками.

Інструмент: Квантова інформація Фішера

Прорив став можливим не завдяки новому мікроскопу, а завдяки концепції, запозиченій із квантової теорії інформації: квантовій інформації Фішера (QFI). Спочатку розроблена фізиком-теоретиком Петером Цоллером та його групою в Університеті Інсбрука, QFI кількісно визначає, наскільки чутливо квантова система реагує на мале збурення. Якщо реакція системи перевищує чітко визначену класичну межу — тобто вона реагує сильніше, ніж сума її незалежних частин, — така чутливість може виникати лише завдяки квантовій заплутаності , .

Застосувавши цей підхід, команда вперше змогла отримати пряму міру заплутаності з об'ємного твердого тіла, що разюче відрізняється від традиційних експериментів, які покладаються на ретельну підготовку та ізоляцію квантового стану.

Експеримент: Нейтрони відкривають заплутані колективи

Дослідники під керівництвом проф. Сільке Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen) з TU Wien не намагалися перевести весь кристал у суперпозицію — що є практично неможливим для такого великого об'єкта. Натомість вони використали непружне розсіяння нейтронів в Інституті Лауе–Ланжевена (ILL) у Греноблі, Франція, щоб виміряти функцію динамічної спінової кореляції матеріалу S(q, ω, T). Простіше кажучи, вони бомбардували кристал нейтронами та спостерігали, як спіни частинок матеріалу рухаються та флуктуюють разом залежно від енергії, імпульсу та температури .

Коли вони застосували формалізм QFI до даних розсіяння, результати були вражаючими. Колективна реакція кристала була занадто сильною, щоб її можна було пояснити незалежними частинками. Густина QFI досягла значення f_Q = 8,2 ± 0,9 за найнижчої виміряної температури, що математично відповідає групі з щонайменше дев'яти квантово-заплутаних сутностей, які діють разом. Заплутаність досягла піку за найнижчої температури експерименту 60 мК (мілікельвінів) та поблизу магнітного поля приблизно 1,73 Тесла, точно в квантовій критичній точці, де відбувається руйнування ефекту Кондо. Коли кристал охолоджували від 10 К до 60 мК, густина QFI зросла майже в 40 разів без жодних ознак насичення, що свідчить про можливість існування ще сильнішої заплутаності за ще нижчих температур , .

Чому дивні метали є дивними

Результати пропонують переконливу нову відповідь на одну з найбільших загадок фізики конденсованих середовищ. Дивні метали не проводять електрику, як звичайні метали. Їхні електрони, здається, втрачають свою індивідуальну ідентичність, утворюючи колективний квантовий «суп». Цей експеримент безпосередньо пов'язує руйнування квазічастинок у квантовій критичній точці з руйнуванням ефекту Кондо зі сплеском багаточастинкової заплутаності , . Лінійний від температури опір, який визначає дивні метали, може бути не відбитком невпорядкованості чи простого розсіяння, а скоріше сигнатурою сильно заплутаного, колективного квантового стану.

Від фундаментальної фізики до квантових сенсорів

Окрім пояснення дивних металів, ця робота прокладає практичний шлях для квантових технологій. Квантова інформація Фішера — це не лише детектор заплутаності, а й центральна величина в квантовій метрології, науці про надточні вимірювання. Матеріал, який демонструє сильну, стабільну внутрішню заплутаність, є природною платформою для надчутливого сенсора. Якщо таку заплутаність вдасться підтримувати за вищих, більш практичних температур, ці матеріали можна буде використовувати для вимірювання магнітних полів і навіть детектування гравітаційних хвиль. Дослідження відкриває двері до систематичного скринінгу інших квантових матеріалів, зокрема високотемпературних надпровідників, на наявність макроскопічної заплутаності за допомогою методів на основі QFI , .

Міжнародна співпраця

Дослідження було результатом міжнародної колаборації. Експериментальну роботу очолила група Сільке Бюлер-Пашен у TU Wien, де аспірант Федеріко Мацца проводив нейтронне розсіяння в ILL Гренобль. Теоретичну основу заклала команда Петера Цоллера з Університету Інсбрука, а додатковий внесок зробив Кімяо Сі (Qimiao Si) з Університету Райса, чия група тривалий час вивчала механізм руйнування ефекту Кондо в Ce₃Pd₂₀Si₆.

Об'єднавши абстрактні інструменти квантової інформації зі складною реальністю об'ємного твердого тіла, команда побудувала міст між двома раніше далекими галузями. Вони дали фізикам новий спосіб спостерігати «моторошну дію на відстані», в якій колись сумнівався Ейнштейн, не в контрольованій вакуумній камері, а всередині маленького, виблискуючого кристала, що лежить на видноті.