A Bécsi Műszaki Egyetem (TU Wien) kutatói kvantum-összefonódást mutattak ki egy centiméteres méretű kristályban. Ez segíthet jobban megérteni a különös fémeket (Strange Metals). A kvantumfizika számos jelensége csak akkor figyelhető meg, ha a kutatók egyedi atomokat, molekulákat vagy fényrészecskéket vizsgálnak ellenőrzött körülmények között. Minél nagyobb egy objektum, annál nehezebb általában ilyen hatásokat kimutatni. A TU Wien kutatócsoportja most megmutatta, hogy a kvantum-összefonódás egy centiméteres méretű kristályban is mérhető lehet.
A tanulmány középpontjában egy úgynevezett Strange Metal, vagyis különös fém áll – egy olyan anyagcsoport, amely évek óta foglalkoztatja a fizikusokat. A kvantuminformáció-elmélet egyik módszerének segítségével sikerült bizonyítékot találni az anyag részecskéi közötti nagyfokú összefonódásra. Az eredmények segíthetnek jobban megérteni e különleges anyagok néhány legrejtélyesebb tulajdonságát.
Nem Schrödinger macskája, hanem egy kollektíva
A kérdés, hogy a kvantumjelenségek megjelenhetnek-e nagy méretű objektumokban is, több mint 100 éve foglalkoztatja a fizikát. Különösen ismertté vált Schrödinger gondolatkísérlete a macskáról, amely egyszerre két különböző állapotban létezik. „A mi megközelítésünk más” – mondja Prof. Silke Bühler-Paschen, a TU Wien Szilárdtestfizikai Intézetének munkatársa. „Nem magát a kristályt hozzuk két állapot szuperpozíciójába, hanem azt vizsgáljuk, hogy mikroszkopikus alkotóelemei képesek-e összehangoltan ilyen állapotba kerülni.” A döntő kérdés tehát nem az, hogy a kristály egésze felvesz-e egy kvantumállapotot. A kutatók arra voltak kíváncsiak, hogy alkotórészei együtt reagálnak-e a külső hatásokra. Bühler-Paschen ezt a viselkedést egy hangyakolóniához hasonlítja: ha a kolóniát zavar éri, nem csupán egyetlen hangya reagál, hanem az egész közösség.
Egy mérőszám a kvantuminformáció-elméletből
Az ilyen kollektív kvantumhatások láthatóvá tételéhez a kutatócsoport az úgynevezett kvantum-Fisher-információt használta. A fogalmat eredetileg Peter Zoller és munkatársai dolgozták ki, és arra szolgál, hogy leírja egy kvantumrendszer érzékenységét a külső változásokkal szemben. „A kvantum-Fisher-információ azt méri, mennyire érzékenyen reagál egy kvantumrendszer egy változásra” – magyarázza Bühler-Paschen. „Ha összefonódás van jelen, a válasz sokkal nagyobb, mint egymástól független részecskék esetén.” Az alapgondolat viszonylag egyszerű: ha sok részecske egymástól függetlenül reagál, az összesített válasz korlátozott marad. Ha azonban a részecskék összefonódottak, közös reakciójuk lényegesen erősebb lehet. E válasz erősségéből megbecsülhető az összefonódás mértéke.
Egy Strange Metal neutronbombázás alatt
A vizsgálathoz a kutatócsoport a Ce₃Pd₂₀Si₆ anyag kristályát használta, amely cérium, palládium és szilícium vegyülete. Ez az anyag a Strange Metals osztályába tartozik. Az ilyen anyagok sok tekintetben eltérően viselkednek a hétköznapi fémektől. Elektromos ellenállásuk, mágneses tulajdonságaik vagy hővezetésük gyakran nem követi a klasszikus szilárdtestfizika ismert szabályait. Emiatt a Strange Metals mindmáig a szakterület egyik legnagyobb megoldatlan rejtélyének számítanak. A kísérleteket a franciaországi Grenoble-ban működő Institut Laue-Langevin (ILL) kutatóintézetben végezték. Ott Federico Mazza doktorandusz neutronokkal bombázta a kristályt, és elemezte a neutronok és az anyag közötti kölcsönhatásokat.
Egy neutron egy kollektívával találkozik
A hagyományos modellek alapján azt várnánk, hogy egy neutron elsősorban az anyag egyetlen részecskéjével lép kölcsönhatásba. „Normális esetben azt várnánk, hogy minden neutron az anyag egyetlen részecskéjével lép kölcsönhatásba, és arra adja át az energiáját” – mondja Mazza. A mérések azonban más képet mutattak. A kvantum-Fisher-információ segítségével kiderült, hogy az anyag válasza nem vezethető vissza egyedi részecskékre. Ehelyett az elemzés arra utal, hogy legalább kilenc, egymással összefonódott részecske reagál közösen egy beérkező neutronra. A tanulmány ezzel kísérleti bizonyítékot szolgáltat a makroszkopikus szilárdtestekben jelen lévő erőteljes, sokrészecskés összefonódásra.
Egy lehetséges kulcs a Strange Metals rejtélyéhez
A vizsgálat célja nem csupán az összefonódás kimutatása volt. A kutatók elsősorban azt szeretnék megérteni, hogy a Strange Metals miért rendelkeznek ennyire szokatlan tulajdonságokkal. Ez az anyagosztály többek között fontos szerepet játszik a magas hőmérsékletű szupravezetők működésében. Az elmúlt években számos olyan megfigyelés született, amelyeket a klasszikus modellek csak nehezen tudnak megmagyarázni. Nagy figyelmet keltett például annak felfedezése, hogy bizonyos Strange Metals anyagokban az elektromos áram jóval kisebb zajt kelt, mint amire számítani lehetne. Az újonnan megfigyelt erős összefonódás magyarázatot adhat erre. Eszerint az érintett részecskék nem egymástól függetlenül mozognak, hanem az anyag nagyobb tartományain keresztül összehangolják dinamikájukat. „Itt nem egy speciális anyag részletjelenségét látjuk, hanem egy általános fizikai alapelvet” – mondja Fakher Assaad, a Würzburgi Egyetem kutatója, aki a tanulmány elméleti munkájáért felelt. „Az erős összefonódás közvetlen kapcsolatban állni látszik a Strange Metals szokatlan viselkedésével.”
