Quantenverschränkung in handgroßem Kristall entdeckt

Quantenverschränkung – das Phänomen, bei dem Teilchen so miteinander verbunden sind, dass sie sich wie ein einziges System verhalten – galt lange als Eigenschaft der Mikrowelt: einzelne Atome, Moleküle oder Photonen. Doch Forscher der TU Wien haben nun gezeigt, dass dieser Effekt auch in einem Kristall auftritt, der groß genug ist, um in der Hand zu liegen. Der Kristall besteht aus Cer, Palladium und Silizium – einem sogenannten Strange Metal, einer Materialklasse, die Physiker seit Jahrzehnten fasziniert, weil sie ungewöhnliche Quanteneigenschaften zeigt.

Das Team um Prof. Silke Bühler-Paschen nutzte eine Methode aus der Quanteninformationswissenschaft: die Quanten-Fisher-Information. Diese Größe misst, wie empfindlich ein System auf äußere Störungen reagiert. Sind die Teilchen unabhängig, ist die Reaktion begrenzt. Sind sie jedoch verschränkt, kann das gesamte System stärker reagieren als die Summe seiner Teile. Genau das beobachteten die Forscher, als sie Neutronen auf den Kristall schossen und die Streuung analysierten. Die Daten zeigten, dass Gruppen von mindestens neun Teilchen gemeinsam agierten – ein klares Zeichen für starke, sogenannte multipartite Verschränkung.

„Unser Ansatz ist anders als bei Schrödingers Katze“, erklärt Bühler-Paschen. „Wir versuchen nicht, den gesamten Kristall in eine Überlagerung zu bringen, sondern fragen, ob seine Bestandteile kollektiv verschränkt sind.“ Sie vergleicht das Verhalten mit einem Ameisenhügel: Wird er gestört, reagiert das ganze Volk, nicht eine einzelne Ameise. Die Entdeckung ist nicht nur ein Grund zum Staunen, sondern könnte auch praktische Anwendungen haben. Strange Metals zeigen ungewöhnlich geringes elektrisches Rauschen – die Verschränkung könnte der Grund sein. Zudem eröffnet sich die Möglichkeit, extrem empfindliche Quantensensoren zu bauen, die kleinste Signale messen.

Die Studie wurde im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht und verbindet zwei Forschungsfelder: Quanteninformation und Festkörperphysik. „Die Ergebnisse bestätigen, dass Methoden aus der Quanteninformationswissenschaft neue Einblicke in Materialien liefern können“, sagt Bühler-Paschen. Das Team hofft nun, dass Strange Metals eines Tages für Quantentechnologien genutzt werden können – etwa für Sensoren, die weit empfindlicher sind als alles, was heute möglich ist.