Муравейник Шрёдингера: физики нашли квантовую запутанность в сантиметровом кристалле странного металла

Трудно провести границу между явлениями квантовой и классической физики, но всегда хочется сделать это поближе к человеческому восприятию мира. Квантовый мир проявляет сказочные свойства. Было бы заманчиво привнести из него что-то в окружающую человека среду. Поэтому учёные всеми силами стремятся проявить квантовые эффекты в макроскопических объектах, чтобы их без преувеличения можно было бы пощупать своими руками. И надежда на это появилась.

Около 40 лет физики изучают так называемые странные металлы. Это настолько малоизученные вещества, что для них даже нет нормальной страницы в «Википедии». На ней только отсылка к ферми-жидкости, свойства которой странные металлы на самом деле не проявляют — в этом их отличие от обычных металлов. В общем случае их можно охарактеризовать как что-то среднее между диэлектриками и проводниками — свободные электроны уже есть, а свойства проводников ещё не проявились. Но также надо понимать, что все свои странности эти металлы (как правило это сплавы) проявляют при температурах вблизи абсолютного нуля.

Около двух лет назад выяснилось, что ток в странных металлах течёт неправильно. В обычных проводниках он переносится дробно в виде группового поведения квазичастиц — как бы всплесками. В странных металлах ток тёк без флуктуаций — плавно, словно вода в жёлобе. Новая работа, о которой мы поговорим ниже, возможно, нашла этому частичное объяснение. Но её ценность в другом — учёные впервые смогли обнаружить групповую квантовую запутанность в странных металлах, выявив ещё одно квантовое явление в довольно крупном куске условной «железки».

Работу провели исследователи из Венского технического университета (Vienna University of Technology). Они синтезировали сантиметровый кристалл Ce3Pd20Si6 из церия, палладия и кремния. Как и положено странным металлам, при низких температурах проявляется его нестандартное металлическое состояние. В отличие от обычного металла, где при низких температурах сопротивление ведёт себя по закону ферми-жидкости, у странных металлов оно часто меняется почти линейно с температурой.

Эксперимент провели на установке неупругого рассеяния нейтронов в Институте Лауэ — Ланжевена в Гренобле (ILL). Кристалл Ce3Pd20Si6 охлаждали до десятков милликельвинов и исследовали в магнитном поле около 1,73 Тл, направленном вдоль кристаллографической оси [001]. Облучение материала нейтронами выявило неожиданный эффект — вместо обычной передачи энергии от нейтрона одной частице с соответствующим откликом, система откликалась намного сильнее — как от группового воздействия. Это удалось выяснить при использовании квантовой информации Фишера — параметра в квантовой метрологии, который показывает, насколько сильна реакция системы состоящей из многих частиц.

«В обычном материале можно было бы ожидать, что нейтрон передаст свою энергию отдельной частице, — поясняют учёные. — Но, проанализировав данные с помощью квантовой информации Фишера, мы обнаружили отклик, который нельзя объяснить с точки зрения независимых частиц. Вместо этого он указывает на то, что группы из как минимум девяти квантово-запутанных объектов действуют коллективно». Иначе говоря, кристалл проявил свойства групповой квантовой запутанности внутри себя, обладая при этом внушительными даже по макромеркам размерами.

Относительно результатов эксперимента учёные пошутили, что от кошки Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот) следует переходить к муравейнику Шрёдингера: тронул одного, возбудились девять запутанных с ним.

Также эксперимент позволяет увязать физику твёрдого тела с квантовой физикой и, наконец, объяснить языком квантовой информации странные металлы, пропажу квазичастиц (плавное течение тока, о чём сказано в начале) и линейное по отношению к температуре сопротивление.