Quantenphänomene lassen sich auch in ausgedehnten Objekten aus unzähligen Teilchen nachweisen. Das hat nun ein Team von der TU Wien um Silke Paschen gezeigt. An einem zentimeterlangen Kristall einer als »seltsames Metall« bezeichneten Legierung aus Cer, Silizium und Palladium beobachteten die Fachleute, dass mindestens neun Teilchen gemeinsam mit einem einzelnen Neutron wechselwirken, statt nur eines, wie man erwarten würde. Demnach seien die Elektronen des Materials miteinander verschränkt, schließen die Fachleute in seiner Veröffentlichung in der Fachzeitschrift »Nature Physics«. 

Grund für das Phänomen sind die Merkmale des seltsamen Metalls. Solche Stoffe zeigen unter anderem ungewöhnliches magnetisches Verhalten – meist, weil sie Lanthanide enthalten, deren besondere Eigenschaften zum Beispiel auch Supermagnete ermöglichen. Auch beim hier verwendeten Ce₃Pd₂₀Si₆-Kristall spielen die Elektronen des Cer eine besondere Rolle. Die starke Wechselwirkung zwischen ihnen und den Elektronen des restlichen Metalls bricht nämlich an einem Quantenkritischen Punkt (kurz: QCP) zusammen. Dadurch befindet sich das Material in einer Quanten-Superposition, in der sich viele unterschiedliche lokale Zustände überlagern – und das erzeugt die verschränkten Zustände. 

Die Fachleute hatten diesen Effekt bereits vermutet, konnten ihn aber bisher nicht direkt messen. Deswegen untersuchten sie das Material mithilfe von Neutronen, die mit den Komponenten des seltsamen Metalls wechselwirken. Um die Auswirkungen der Verschränkung nachzuweisen, nutzte das Team die Quanten-Fisher-Information, die beschreibt, wie empfindlich ein Material auf äußere Einflüsse reagiert.

In einem System aus unabhängigen Teilchen reagiert jedes von ihnen für sich allein auf äußere Störungen, und die Quanten-Fisher-Information hat einen niedrigen Wert. Je stärker jedoch die Bestandteile eines Systems wechselwirken, desto mehr von ihnen reagieren gemeinsam, wenn zum Beispiel ein Neutron das Material trifft. Anhand des Neutronenbeschusses und anschließender Computersimulationen zeigte die Arbeitsgruppe, dass im Bereich des Quantenkritischen Punkts die Quanten-Fisher-Information sehr hohe Werte annimmt. Demnach reagierten dort ganze Gruppen miteinander verschränkter Teilchen auf die Neutronen.

Damit sei nicht nur erstmals Quantenverschränkung in makroskopischen Objekten demonstriert worden, schreibt das Team. Die Verschränkung könne außerdem den besonders störungsfreien Elektronenfluss in seltsamen Metallen erklären – eine bislang rätselhafte Besonderheit dieser Stoffklasse.