Quantenverschränkung in Zentimeter-großem Kristall nachgewiesen

Quantenverschränkung – das Phänomen, bei dem Teilchen so miteinander verbunden sind, dass die Messung an einem sofort den Zustand des anderen bestimmt – galt lange als Sache der Mikrowelt. Ein Team der TU Wien um Silke Paschen hat nun gezeigt, dass dieser Effekt auch in einem ausgedehnten, zentimeterlangen Kristall auftritt. Das Material ist eine Legierung aus Cer, Silizium und Palladium, die als „seltsames Metall“ bekannt ist. Solche Stoffe zeigen ungewöhnliches magnetisches Verhalten, weil sie Lanthanide enthalten – Elemente, deren besondere Eigenschaften auch Supermagnete ermöglichen.

Die Forschenden beobachteten, dass mindestens neun Teilchen gemeinsam mit einem einzelnen Neutron wechselwirken, statt nur eines, wie man es von unabhängigen Teilchen erwarten würde. Dies deutet darauf hin, dass die Elektronen im Kristall miteinander verschränkt sind. Grund dafür ist ein sogenannter Quantenkritischer Punkt (QCP), an dem die starke Wechselwirkung zwischen den Cer-Elektronen und den übrigen Elektronen des Metalls zusammenbricht. Dadurch entsteht eine Quanten-Superposition, in der sich viele verschiedene lokale Zustände überlagern – und das erzeugt die verschränkten Zustände.

Um diesen Effekt nachzuweisen, nutzte das Team Neutronen, die mit dem Material wechselwirken. Mithilfe der Quanten-Fisher-Information – einer Größe, die beschreibt, wie empfindlich ein Material auf äußere Einflüsse reagiert – konnten sie zeigen, dass im Bereich des QCP die Werte sehr hoch sind. Das bedeutet, dass ganze Gruppen miteinander verschränkter Teilchen gemeinsam auf die Neutronen reagieren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Damit ist nicht nur erstmals Quantenverschränkung in makroskopischen Objekten demonstriert worden. Die Verschränkung könnte auch den besonders störungsfreien Elektronenfluss in seltsamen Metallen erklären – eine bislang rätselhafte Besonderheit dieser Stoffklasse. Für die Zukunft eröffnet dies neue Perspektiven: Wenn Verschränkung in größeren Strukturen stabil existieren kann, könnten Quantencomputer oder extrem verlustarme Leiter eines Tages auf solchen Materialien basieren.