Seltsames Metall, seltsame Physik: Kristall zeigt Quantenverhalten
Forschende der TU Wien weisen Quantenverschränkung in einem zentimetergroßen Kristall nach. Das könnte Strange Metals besser erklären.
Neutronen enthüllen Quantengeheimnisse: Ein Kristall reagiert als Kollektiv verschränkter Teilchen und liefert neue Erkenntnisse.
Foto: TU Wien / Harald Ritsch
Viele Phänomene der Quantenphysik lassen sich nur beobachten, wenn Forschende einzelne Atome, Moleküle oder Lichtteilchen unter kontrollierten Bedingungen untersuchen. Je größer ein Objekt wird, desto schwieriger wird es normalerweise, solche Effekte nachzuweisen. Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun gezeigt, dass Quantenverschränkung auch in einem Kristall im Zentimetermaßstab messbar sein kann.
Im Mittelpunkt der Studie steht ein sogenanntes Strange Metal – eine Materialklasse, die Physikerinnen und Physiker seit Jahren beschäftigt. Mithilfe einer Methode aus der Quanteninformationstheorie gelang es, Hinweise auf einen hohen Grad an Verschränkung zwischen den Teilchen des Materials zu finden. Die Ergebnisse könnten helfen, einige der rätselhaftesten Eigenschaften dieser Stoffe besser zu verstehen.
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Nicht Schrödingers Katze, sondern ein Kollektiv
Die Frage, ob sich Quantenphänomene auch in großen Objekten zeigen können, beschäftigt die Physik seit mehr als 100 Jahren. Berühmt wurde vor allem Schrödingers Gedankenexperiment von der Katze, die sich gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Zuständen befinden soll.
„Unser Ansatz ist ein anderer“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Wir bringen nicht den Kristall selbst in eine Überlagerung zweier Zustände, sondern testen, ob sich seine mikroskopischen Bestandteile koordiniert in einen solchen Zustand begeben können.“
Entscheidend ist also nicht, ob der Kristall als Ganzes einen Quantenzustand einnimmt. Die Forschenden wollten wissen, ob seine Bestandteile gemeinsam auf äußere Einflüsse reagieren. Bühler-Paschen vergleicht dieses Verhalten mit einem Ameisenstaat: Wird dieser gestört, reagiert nicht nur ein einzelnes Tier, sondern das gesamte Kollektiv.
Eine Messgröße aus der Quanteninformationstheorie
Um solche kollektiven Quanteneffekte sichtbar zu machen, nutzte das Team die sogenannte Quanten-Fisher-Information. Das Konzept wurde ursprünglich von Quantenphysikern um Peter Zoller entwickelt und dient dazu, die Empfindlichkeit eines Quantensystems gegenüber äußeren Veränderungen zu beschreiben.
„Die Quanten-Fisher-Information misst, wie empfindlich ein Quantensystem auf eine Veränderung reagiert“, erklärt Bühler-Paschen. „Wenn Verschränkung vorliegt, ist die Antwort viel größer als bei unabhängigen Teilchen.“
Der Gedanke dahinter ist vergleichsweise einfach: Reagieren viele Teilchen unabhängig voneinander, fällt die Gesamtantwort begrenzt aus. Sind die Teilchen dagegen verschränkt, kann ihre gemeinsame Reaktion deutlich stärker sein. Aus der Stärke dieser Antwort lässt sich abschätzen, wie groß der Grad der Verschränkung ist.
Ein Strange Metal unter Neutronenbeschuss
Für die Untersuchung nutzte das Team einen Kristall des Materials Ce₃Pd₂₀Si₆, einer Verbindung aus Cer, Palladium und Silizium. Dieses Material gehört zur Klasse der Strange Metals.
Solche Stoffe verhalten sich in vielerlei Hinsicht anders als gewöhnliche Metalle. Elektrischer Widerstand, Magnetismus oder Wärmeleitung folgen oft nicht den bekannten Regeln der klassischen Festkörperphysik. Deshalb gelten Strange Metals bis heute als eines der großen ungelösten Rätsel des Fachgebiets.
Die Experimente fanden am Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble statt. Dort beschoss Doktorand Federico Mazza den Kristall mit Neutronen und analysierte die Wechselwirkungen zwischen den Neutronen und dem Material.
Ein Neutron trifft auf ein Kollektiv
Nach den bekannten Modellen würde man erwarten, dass ein Neutron hauptsächlich mit einem einzelnen Teilchen im Material wechselwirkt. „Normalerweise würde man erwarten, dass jedes Neutron mit einem einzelnen Teilchen aus dem Material wechselwirkt und seine Energie auf dieses überträgt“, sagt Mazza.
Die Messungen zeichneten jedoch ein anderes Bild. Mithilfe der Quanten-Fisher-Information zeigte sich, dass die Reaktion des Materials nicht auf einzelne Teilchen zurückgeführt werden kann. Stattdessen deutet die Analyse darauf hin, dass mindestens neun miteinander verschränkte Teilchen gemeinsam auf ein einfallendes Neutron reagieren.
Damit liefert die Studie einen experimentellen Nachweis für ausgeprägte Mehrteilchen-Verschränkung in einem makroskopischen Festkörper.
Ein möglicher Schlüssel zum Rätsel der Strange Metals
Die Untersuchung diente nicht nur dem Nachweis von Verschränkung. Die Forschenden wollen vor allem verstehen, warum Strange Metals so ungewöhnliche Eigenschaften besitzen. Die Materialklasse spielt unter anderem bei Hochtemperatur-Supraleitern eine wichtige Rolle. In den vergangenen Jahren wurden immer wieder Beobachtungen gemacht, die sich mit klassischen Modellen nur schwer erklären lassen.
Für Aufmerksamkeit sorgte beispielsweise die Entdeckung, dass elektrischer Strom in bestimmten Strange Metals deutlich weniger Rauschen erzeugt als erwartet. Die nun beobachtete starke Verschränkung könnte eine Erklärung dafür liefern. Demnach bewegen sich die beteiligten Teilchen möglicherweise nicht unabhängig voneinander, sondern koordinieren ihre Dynamik über größere Bereiche des Materials hinweg.
„Wir sehen hier kein Detail eines speziellen Materials, sondern ein allgemeines physikalisches Prinzip“, sagt Fakher Assaad von der Universität Würzburg, der die theoretischen Arbeiten der Studie verantwortete. „Die starke Verschränkung scheint direkt mit dem ungewöhnlichen Verhalten von Strange Metals verknüpft zu sein.“
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