Τα κβαντικά φαινόμενα συνήθως συνδέονται με εξαιρετικά μικρά αντικείμενα όπως μεμονωμένα άτομα, μόρια ή φωτόνια που πρέπει να απομονωθούν προσεκτικά από το περιβάλλον τους. Θα μπορούσαν, όμως, αυτά τα ίδια περίεργα κβαντικά φαινόμενα να υπάρχουν σε αντικείμενα αρκετά μεγάλα ώστε να βλέπονται και να συγκρατούνται;
Οι ερευνητές στο TU Vienna έχουν πλέον παράσχει αδιάσειστα στοιχεία ότι μπορούν. Μελετώντας έναν κρύσταλλο μεγέθους εκατοστού κατασκευασμένο από ένα είδος υλικού γνωστό ως παράξενο μέταλλο, η ομάδα εντόπισε υψηλό βαθμό κβαντικής εμπλοκής, μια από τις πιο αξιοσημείωτες ιδιότητες της κβαντικής φυσικής. Το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μια τεχνική στην επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας που ονομάζεται κβαντική πληροφορία Fisher.
Τα αποτελέσματα δημιουργούν μια νέα σύνδεση μεταξύ της κβαντικής πληροφορίας και της φυσικής στερεάς κατάστασης, καθώς η κβαντική εμπλοκή μπορεί να μετρηθεί άμεσα σε μακροσκοπικά εξωτικά μέταλλα.
Από τη γάτα του Σρέντινγκερ μέχρι τις μυρμηγκοφωλιές
Το αν η κβαντομηχανική εφαρμόζεται μόνο σε μικροσκοπικά σωματίδια ή σε μεγαλύτερα αντικείμενα έχει συζητηθεί από τις πρώτες μέρες του πεδίου. Ο φυσικός Erwin Schrödinger απεικόνισε περίφημα το μυστήριο με το σκεπτικό του πείραμα που αφορούσε μια γάτα που είναι ταυτόχρονα ζωντανή και απαρατήρητη. Από τότε, οι επιστήμονες έχουν επανειλημμένα θέσει όρια στο πόσο μεγάλο ένα σύστημα μπορεί να εμφανίσει κβαντική συμπεριφορά.
Η ομάδα του TU Wien προσέγγισε την ερώτηση από διαφορετική οπτική γωνία.
«Η προσέγγισή μας είναι διαφορετική», λέει η καθηγήτρια Silke Bühler-Paschen από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο TU Wien. “Δεν προσπαθούμε να φέρουμε τον κρύσταλλο ως σύνολο σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Αντίθετα, ρωτάμε εάν τα συστατικά του — συλλογικά — βρίσκονται σε μια τέτοια μπερδεμένη κατάσταση.”
Αντί να σκέφτεται τη γάτα του Schrödinger, ο Bühler-Paschen λέει ότι το πείραμα μοιάζει περισσότερο με τις Αντίλλες. Όταν ένα μυρμήγκι ενοχλείται, η απάντηση προέρχεται από την αποικία που συνεργάζεται και όχι από μεμονωμένα μυρμήγκια. Οι ερευνητές ήθελαν να προσδιορίσουν εάν τα σωματίδια μέσα στον κρύσταλλο συμπεριφέρονταν με τον ίδιο συντονισμένο τρόπο.
Τα δεδομένα του Quantum Fischer αποκαλύπτουν κρυφές εμπλοκές
Το θεωρητικό πλαίσιο πίσω από το πείραμα αναπτύχθηκε από τον κβαντικό φυσικό του Ίνσμπρουκ Peter Zoller και τους συνεργάτες του. Η εργασία τους έδειξε ότι οι κβαντικές πληροφορίες Fischer μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της κβαντικής εμπλοκής ακόμη και σε πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από μεγάλους αριθμούς αλληλεπιδρώντων σωματιδίων.
«Οι πληροφορίες Quantum Fisher μετρούν πόσο ευαίσθητα ανταποκρίνεται ένα κβαντικό σύστημα στις αλλαγές», εξηγεί ο Bühler-Paschen. “Για μια συλλογή ανεξάρτητων σωματιδίων, η απόκριση είναι περιορισμένη επειδή κάθε σωματίδιο συνεισφέρει τη δική του. Ωστόσο, εάν τα σωματίδια είναι μπερδεμένα, ολόκληρο το σύστημα μπορεί να ανταποκριθεί πιο έντονα από το άθροισμα των επιμέρους μερών του. Αυτή η αυξημένη ευαισθησία είναι ακριβώς που κάνει τη διαπλοκή πολύτιμη πηγή όπου είναι δυνατό να ανιχνευθεί ένα σήμα στο μέγιστο με κβαντική ανίχνευση. υπάρχει μεγάλη εμπλοκή στα εξαρτήματα.
Με απλά λόγια, ένα ισχυρά μπλεγμένο σύστημα ανταποκρίνεται πιο δραματικά στις διαταραχές από μια συλλογή ανεξάρτητων σωματιδίων, επιτρέποντας στους ερευνητές να εκτιμήσουν πόση εμπλοκή υπάρχει.
Παράξενοι μεταλλικοί κρύσταλλοι παρουσιάζουν συλλογική κβαντική συμπεριφορά
Για να δοκιμάσουν την ιδέα, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν κρύσταλλο που αποτελείται από δημήτριο, παλλάδιο και πυρίτιο. Αυτό το υλικό ανήκει στην κατηγορία των εξωτικών μετάλλων, τα οποία έχουν γοητεύσει από καιρό τους φυσικούς επειδή παρουσιάζουν ασυνήθιστες κβαντικές ιδιότητες που είναι κατανοητές μόνο εν μέρει.
Στο Institut Lau-Langevin (ILL) στη Γκρενόμπλ, ο διδακτορικός φοιτητής Federico Mazza εκτόξευσε νετρόνια στον κρύσταλλο και μέτρησε την απόκρισή του.
«Σε ένα κανονικό υλικό, θα περίμενε κανείς ένα νετρόνιο να μεταφέρει την ενέργειά του σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο», είπε ο Mazza. “Αλλά αναλύοντας τα δεδομένα χρησιμοποιώντας κβαντικές πληροφορίες Fischer, βρήκαμε μια απάντηση που δεν μπορεί να εξηγηθεί με όρους ανεξάρτητων σωματιδίων. Αντίθετα, δείχνει ότι ομάδες τουλάχιστον εννέα κβαντικών εμπλεγμένων οντοτήτων δρουν σε συνεννόηση.”
Οι μετρήσεις παρέχουν άμεσες ενδείξεις ισχυρής πολυμερούς κβαντικής εμπλοκής μέσα σε έναν συμπαγή κρύσταλλο αρκετά μεγάλο ώστε να χωράει άνετα στην παλάμη του χεριού σας.
Επίλυση του μυστηρίου των περίεργων μετάλλων
Οι ερευνητές αρχικά επιχείρησαν να κατανοήσουν καλύτερα γιατί τα εξωτικά μέταλλα συμπεριφέρονται τόσο διαφορετικά από τα συμβατικά υλικά. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρείται και σε άλλα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.
Το ενδιαφέρον για τα εξωτικά μέταλλα έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να αποκαλύπτουν απροσδόκητες ιδιότητες. Το 2025, ερευνητές από το TU Wien και το Πανεπιστήμιο Rice ανέφεραν ότι ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτά τα υλικά με ασυνήθιστα χαμηλό ηλεκτρικό θόρυβο. Η κβαντική εμπλοκή που παρατηρήθηκε πρόσφατα μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση του γιατί. Αντί να δρουν ανεξάρτητα, τα σωματίδια φαίνεται να συντονίζουν τη συμπεριφορά τους με τρόπο που καταστέλλει τις τρέχουσες διακυμάνσεις.
“Αυτό που εξετάζουμε εδώ δεν είναι η λεπτομέρεια ενός συγκεκριμένου υλικού, αλλά μια γενική φυσική αρχή”, δήλωσε ο Fakhr Asad από το Πανεπιστήμιο του Würzburg, επικεφαλής θεωρητικός για το έργο. «Η ισχυρή εμπλοκή φαίνεται να συνδέεται άμεσα με την ασυνήθιστη συμπεριφορά των εξωτικών μετάλλων».
Προς μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η εργασία καταδεικνύει την αξία του συνδυασμού ιδεών από την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας και τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης.
“Τα αποτελέσματα είναι μια μεγάλη επιτυχία για εμάς”, λέει η Silke Bühler-Paschen “Επιβεβαιώνουν ότι η ασυνήθιστη προσέγγισή μας στη χρήση μεθόδων από την κβαντική επιστήμη της πληροφορίας για τη μελέτη της φυσικής στερεάς κατάστασης νέων υλικών μπορεί να αποκαλύψει θεμελιωδώς νέες ιδέες.”
Το κόμμα κοιτάζει τώρα την αντίθετη ανταλλαγή. Ελπίζουν ότι τα εξωτικά μέταλλα θα μπορούσαν τελικά να είναι χρήσιμα για κβαντικές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των εξαιρετικά ευαίσθητων συστημάτων κβαντικής μετρολογίας ικανά να ανιχνεύουν εξαιρετικά μικρά σήματα με εξαιρετική ακρίβεια.
