Межа між химерним світом квантових ефектів та звичною нам класичною реальністю завжди була однією з найбільш інтригуючих загадок фізики. Прагнення науковців перенести квантові властивості на макроскопічні об'єкти — ті, що можна буквально відчути фізично, — упродовж тривалого часу здавалося майже утопічним. Проте останні дослідження в галузі матеріалознавства доводять: квантова заплутаність може проявлятися в об'єктах сантиметрового масштабу. Відкриття колективної поведінки частинок у так званих «дивних металах» прокладає шлях до нового розуміння природи провідності та квантової інформації.
Протягом останніх чотирьох десятиліть фізики намагаються розгадати природу «дивних металів». Ці матеріали виступають своєрідною аномалією: вони не вписуються в стандартну теорію фермівської рідини, що описує поведінку електронів у звичайних провідниках. У класичному розумінні метал — це система, де електрони поводяться як квазічастинки, створюючи передбачуваний потік заряду. Дивні метали, що найчастіше є складними сплавами, посідають проміжне становище між діелектриками та провідниками. У них уже присутні вільні електрони, проте звичні властивості провідності проявляються лише за екстремальних умов — поблизу абсолютного нуля.
Однією з головних загадок цих матеріалів стала природа руху електричного струму. У звичайних провідниках струм переноситься дискретно, через групову поведінку квазічастинок, що супроводжується певними флуктуаціями. У дивних металах струм тече аномально плавно, нагадуючи радше безперервний потік рідини, ніж потік частинок. Це явище тривалий час залишалося нез'ясненим, аж поки дослідники не звернулися до концепції квантової заплутаності в макроскопічних масштабах.
Прорив став можливим завдяки роботі вчених із Віденського технічного університету. Команда синтезувала кристал $\text{Ce}3\text{Pd}{20}\text{Si}_6$, що складається з церію, паладію та кремнію. При наднизьких температурах цей матеріал демонструє нестандартний стан: його електричний опір змінюється майже лінійно залежно від температури, що докорінно суперечить законам фермівської рідини, де ця залежність має інший характер.
Для вивчення цього феномена було використано метод неупругого розсіювання нейтронів в Інституті Лауе — Ланжевена в Греноблі. Кристал піддали глибокому охолодженню до десятків мілікельвінів і помістили в потужне магнітне поле напруженістю 1,73 Тл. У ході експерименту нейтронне опромінення виявило неочікувану реакцію системи. Замість того щоб передати енергію одній окремій частинці, що є нормою для звичайних матеріалів, кристал відреагував колективно.
Ключем до розуміння цього процесу стала квантова інформація Фішера — спеціалізований параметр квантової метрології. Він дозволяє визначити ступінь чутливості системи та виявити, наскільки сильно частинки пов'язані одна з одною. Аналіз даних показав, що відгук системи неможливо пояснити діями незалежних електронів. Натомість було виявлено групову квантову заплутаність: щонайменше дев'ять об'єктів діяли як єдине ціле.
Цей ефект отримав іронічну назву «мурашник Шредінгера». Якщо в класичному мисленнєвому експерименті з котом йшлося про суперпозицію одного об'єкта, то тут ми спостерігаємо колективний резонанс: вплив на одну частинку миттєво залучає в процес всю заплутану групу.
Дане відкриття має фундаментальне значення для сучасної науки. Воно дозволяє об'єднати фізику твердого тіла з теорією квантової інформації, пропонуючи елегантне пояснення «дивності» таких металів. Зникнення квазічастинок, плавний рух струму та лінійна температурна залежність опору тепер можуть бути описані крізь призму макроскопічної квантової заплутаності. Таким чином, сантиметровий кристал перестав бути просто «шматком заліза», перетворившись на повноцінну лабораторію з вивчення квантових взаємодій у масштабах, доступних людському сприйняттю.
Оптична порожнеча в автомобільному дизайні
