Kvantfenomen är vanligtvis de omöjligt smås domän – enskilda atomer, molekyler eller fotoner som måste hållas i isolering. Men tänk om samma konstiga effekter kunde finnas i något du faktiskt kan hålla i handen? Forskare vid TU Wien har nu presenterat övertygande bevis för att de kan, med hjälp av en centimeterstor kristall gjord av ett material som kallas ett konstigt metall. De upptäckte en hög grad av kvantförveckling, en av kvantfysikens största hits, med hjälp av en teknik från kvantinformationsvetenskap som kallas kvantfisherinformation. Resultaten skapar en ny koppling mellan kvantinformation och fasta tillståndets fysik, och visar att förveckling kan mätas direkt i ett makroskopiskt konstigt metall.

Frågan om kvantmekanik bara gäller för små partiklar eller även för större objekt har debatterats sedan fältets tidiga dagar. Erwin Schrödinger illustrerade berömt mysteriet med sitt tankeexperiment om en katt som samtidigt är levande och död tills den observeras – ett scenario som, lyckligtvis, förblir teoretiskt. Sedan dess har forskare gång på gång tänjt gränserna för hur stort ett system kan uppvisa kvantbeteende. TU Wien-teamet angrep frågan från en annan vinkel. ”Vår metod är annorlunda”, säger prof. Silke Bühler-Paschen från Institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. ”Vi försöker inte få kristallen som helhet i en superposition av två tillstånd. Istället frågar vi om dess beståndsdelar – kollektivt – befinner sig i ett sådant förvecklingstillstånd.” Snarare än Schrödingers katt, säger Bühler-Paschen att experimentet mer liknar en myrstack: när den störs kommer reaktionen från kolonin som agerar tillsammans, inte från någon enskild myra. Forskarna ville avgöra om partiklarna inuti kristallen beter sig på ett liknande koordinerat sätt.

Den teoretiska ramen bakom experimentet utvecklades av Innsbruck-kvantfysikern Peter Zoller och hans kollegor. Deras arbete visade att kvantfisherinformation kan identifiera kvantförveckling även i komplexa system som består av enorma antal interagerande partiklar. ”Kvantfisherinformationen kvantifierar hur känsligt ett kvantsystem reagerar på en förändring”, förklarar Bühler-Paschen. ”För en samling oberoende partiklar är responsen begränsad eftersom varje partikel bidrar på egen hand. Men om partiklarna är förvecklade kan hela systemet reagera starkare än summan av sina enskilda delar. Denna förstärkta känslighet är precis vad som gör förveckling till en så värdefull resurs för kvantmetrologi, där man strävar efter att detektera extremt små signaler med högsta möjliga precision. Genom att mäta hur starkt ett system reagerar på en störning kan man därför sluta sig till graden av förveckling som finns i materialet.” Enkelt uttryckt reagerar ett starkt förvecklat system mer dramatiskt på störningar än en samling oberoende partiklar, vilket gör att forskare kan uppskatta hur mycket förveckling som finns.

För att testa idén skapade forskarna en kristall bestående av cerium, palladium och kisel. Detta material tillhör klassen konstiga metaller, som länge fascinerat fysiker eftersom de uppvisar ovanliga kvantegenskaper som fortfarande är ofullständigt förstådda. Vid Institut Laue-Langevin (ILL) i Grenoble skickade doktoranden Federico Mazza neutroner mot kristallen och mätte dess respons. ”I ett normalt material skulle man förvänta sig att en neutron överför sin energi till en enskild partikel”, säger Mazza. ”Men genom att analysera data med kvantfisherinformation fann vi en respons som inte kan förklaras i termer av oberoende partiklar. Istället indikerar den att grupper av minst nio kvantförvecklade entiteter agerar kollektivt.” Mätningarna ger direkta bevis på stark multipartit kvantförveckling inuti en solid kristall som är stor nog att bekvämt få plats i handflatan.