Физики обнаружили квантовую запутанность в сантиметровом кристалле
Физики из Венского технического университета сообщили о наблюдении коллективной квантовой запутанности в кристалле странного металла размером около сантиметра. Речь идёт о материале Ce₃Pd₂₀Si₆, который при сверхнизких температурах ведёт себя не так, как обычные металлы. Авторы считают, что результат даёт новый инструмент для объяснения природы странных металлов, где привычная картина независимых квазичастиц работает плохо.
В эксперименте исследователи использовали неупругое рассеяние нейтронов на установке Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле. Образец охлаждали до десятков милликельвинов и помещали в магнитное поле 1,73 Тл. Вместо отклика, который можно было бы объяснить возбуждением отдельных частиц, учёные зафиксировали коллективный ответ системы.
Для анализа команда применила квантовую информацию Фишера, метрику из квантовой метрологии, которую всё чаще используют и в физике конденсированного состояния. По расчётам авторов, наблюдаемый сигнал соответствует коллективному поведению групп как минимум из девяти запутанных квантовых объектов. Для твёрдого тела это важная деталь: эффект увидели не в искусственно изолированной цепочке ионов и не в микросхеме на несколько кубитов, а в массивном кристалле, который можно держать в руках.
Сам материал тоже выбран не случайно. Ce₃Pd₂₀Si₆ относится к тяжёлым фермионным системам, где электроны взаимодействуют настолько сильно, что эффективная масса носителей заряда резко растёт. Именно такие соединения давно используют как модельные объекты для изучения квантовой критичности, разрушения ферми-жидкости и линейной зависимости сопротивления от температуры, одного из главных признаков странных металлов.
Странные металлы и квантовая запутанность
Странные металлы изучают примерно с 1980-х годов, а интерес к ним резко вырос после открытия высокотемпературных сверхпроводников. Во многих купратах и других сильно коррелированных материалах перед переходом в сверхпроводящее состояние возникает режим, где сопротивление меняется почти линейно с температурой. Для обычных металлов при низких температурах такая зависимость нехарактерна: там лучше работает теория ферми-жидкости с хорошо определёнными квазичастицами.
За последние годы физики накопили несколько косвенных признаков того, что в странных металлах транспорт и возбуждения устроены иначе. В частности, в работах по тяжёлым фермионам и купратам обсуждалось так называемое «планковское» рассеяние, когда время релаксации носителей заряда приближается к фундаментальному квантовому пределу. Это не объясняет автоматически запутанность, но указывает на режим, где коллективные квантовые эффекты могут определять свойства всего материала.
Новая работа важна ещё и методически. Квантовую запутанность давно регистрируют в ионных ловушках, сверхпроводниковых схемах и фотонных системах, однако для объёмных кристаллов задача заметно сложнее. Здесь исследователи фактически используют инструменты квантовой информации для описания данных нейтронного эксперимента. Такой подход сближает две области, которые долго развивались отдельно: квантовые вычисления и физику твёрдого тела.
Если интерпретация подтвердится в других странных металлах, у физиков появится более прямой способ связывать макроскопические свойства вещества с многочастичной запутанностью. Это особенно важно для материалов, которые рассматривают в связи с необычной сверхпроводимостью. По оценкам рынка криогенного и квантового оборудования, сегмент исследовательских систем для таких экспериментов уже измеряется миллиардами долларов, а интерес к новым материалам подогревают и фундаментальная наука, и разработчики квантовых технологий.
Следующий шаг очевиден: проверить, воспроизводится ли эффект в других тяжёлых фермионных соединениях и купратах, где признаки странного металлического состояния изучают десятилетиями. Если да, спор о природе линейного сопротивления и исчезновения квазичастиц получит не очередную красивую аналогию, а измеряемый квантовый параметр.
