Observation of multipartite spin entanglement in a cuprate chain

In der Welt der Quantenmaterialien werden die faszinierendsten Materiezustände nicht durch die Anordnung der Atome definiert, sondern dadurch, wie die Elektronen in ihnen miteinander verbunden sind. Stellen Sie sich eine Gruppe von Menschen vor, bei denen jeder Einzelne durch einen unsichtbaren, unzerreißbaren Faden mit jedem anderen im Raum verbunden ist; in der Quantenwelt wird diese Verbindung als Verschränkung bezeichnet. Wenn Teilchen verschränkt sind, verlieren sie ihre individuelle Identität und verhalten sich wie ein einziges, vereintes System, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen ist der Motor hinter den seltsamen Verhaltensweisen exotischer Materialien, von Magneten, die sich weigern, sich in einem festen Muster einzupendeln, bis hin zu Supraleitern, die Elektrizität ohne Widerstand leiten. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass diese komplexen, hochgradig verschränkten Zustände in der Natur häufig vorkommen, doch ihre Existenz in einem festen Stück Material nachzuweisen, war nahezu unmöglich. Die Werkzeuge, die verwendet werden, um in diese Materialien hineinzublicken, sehen meist nur das durchschnittliche Verhalten von Milliarden von Teilchen, wodurch die feinen, spezifischen Verbindungen, die den Quantenzustand definieren, herausgewaschen werden. Um diese Materialien wirklich zu verstehen, benötigten Forscher eine Möglichkeit, genau zu zählen, wie viele Teilchen in einem einzigen, unzertrennlichen Knoten miteinander verschränkt sind.

Ein Team von Physikern hat diese Leistung nun erbracht, indem es eine leistungsstarke Technik namens resonante inelastische Röntgenstreuung nutzte, um direkt in das Quantenherz eines kupferbasierten Kristalls zu blicken. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Material, das als $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$ bekannt ist und lange, dünne Ketten aus Kupferatomen bildet. In dieser eindimensionalen Struktur werden die Elektronen gezwungen, auf eine sehr eingeschränkte Weise zu interagieren, was ein perfektes Labor zur Untersuchung von Quantenverbindungen schafft. Durch das Beschießen des Kristalls mit hochenergetischer Röntgenstrahlung und die sorgfältige Analyse des zurückgestrahlten Lichts konnten die Forscher die magnetischen Schwingungen der Elektronen isolieren. Sie fanden heraus, dass die Elektronen in diesen Ketten bei niedrigen Temperaturen nicht nur in Paaren oder kleinen Gruppen agieren, sondern tief in Gruppen von mindestens sieben miteinander verschränkt sind. Das bedeutet, dass sieben separate Spins in einem einzigen Quantenzustand miteinander gekoppelt sind – ein Komplexitätsgrad, der zu den tiefsten gehört, die jemals in einem Festkörper gemessen wurden. Die Entdeckung bestätigt, dass diese Materialien einen hochgradig verschränkten Grundzustand beherbergen, genau wie es theoretische Modelle vorhergesagt haben, und dass diese Verschränkung überraschend robust ist, da sie selbst bestehen bleibt, wenn das Material auf Temperaturen erwärmt wird, bei denen solche empfindlichen Quanteneffekte normalerweise verschwinden.

Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt in der Methode, die verwendet wurde, um sie aufzudecken. Jahrelang haben sich Wissenschaftler auf ein mathematisches Konzept namens Quanten-Fisher-Information verlassen, um die Tiefe der Verschränkung zu bestimmen. Dieser Wert funget als Zeuge: Wenn die Zahl hoch genug ist, beweist dies, dass eine bestimmte Anzahl von Teilchen verschränkt ist. Die Berechnung dieser Zahl erfordert jedoch normalerweise die Kenntnis des exakten Zustands jedes Teilchens, was direkt in einem Festkörper unmöglich zu messen ist. Der Durchbruch in dieser Arbeit bestand darin, einen Weg zu finden, diese Information direkt aus dem Spektrum der magnetischen Fluktuationen zu extrahieren, die in dem Röntgenexperiment beobachtet wurden. Die Forscher mussten eine erhebliche Hürde überwinden: Die verwendeten Röntgenstrahlen interagieren auf zwei verschiedene Arten mit dem Material. Eine Interaktion dreht den Spin eines Elektrons um, während die andere ihn unverändert lässt. Diese beiden Signale sind in den Daten vermischt, was es schwierig macht, die spezifischen magnetischen Schwingungen zu sehen, die für die Berechnung der Verschränkungstiefe notwendig sind. Durch die Kombination ihrer experimentellen Daten mit präzisen Computersimulationen des Materialverhaltens gelang es dem Team, diese Signale mathematisch zu trennen. Sie isolierten den spezifischen Teil des Signals, der dem Umklappen der Spins entspricht, was der Schlüssel zur Messung der Verschränkungstiefe ist.

Als sie diese Methode auf die bei 35 Kelvin gesammelten Daten anwandten, waren die Ergebnisse beeindruckend. An der Grenze des Impulsbereichs des Materials ergab der berechnete Wert, dass die Elektronen in Gruppen von mindestens sieben verschränkt sind. Dies ist ein tiefgreifendes Ergebnis, da es zeigt, dass die Quantenkorrelationen in diesem Material über eine signifikante Distanz reichen und eine große Anzahl von Teilchen gleichzeitig involvieren. Die Forscher testeten auch, wie standhaft diese Verschränkung bei steigender Temperatur bleibt. Sie wiederholten das Experiment bei 220 Kelvin, einer viel wärmeren Umgebung. Obwohl die Verschränkung erwartungsgemäß schwächer wurde, wenn die thermische Energie die Quantenordnung stört, zeigte das Material immer noch Anzeichen dafür, dass mindestens fünf Teilchen miteinander verschränkt sind. Diese Beständigkeit ist bemerkenswert, da die Energieskalen in diesem Material groß genug sind, um den Quantenzustand selbst bei Temperaturen stabil zu halten, die die Verschränkung in den meisten anderen Systemen zerstören würden. Die Ergebnisse stimmen perfekt mit den Vorhersagen eines bekannten theoretischen Modells überein, dem erweiterten Hubbard-Modell, das beschreibt, wie Elektronen zwischen Atomen springen und einander abstoßen. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie validiert das Modell und bestätigt, dass die Forscher tatsächlich die wahre Quantennatur des Materials messen.

Diese Arbeit misst mehr als nur eine Zahl; sie etabliert einen neuen Weg, die Quantenwelt zu erforschen. Indem sie bewiesen haben, dass Röntgenstreuung zur Quantifizierung von Verschränkung genutzt werden kann, haben die Forscher die Tür zur Untersuchung anderer Arten von Verbindungen in Materialien geöffnet, etwa jener, die die elektrische Ladung oder die Form der Elektronenbahnen betreffen. Diese Technik könnte Wissenschaftern letztlich helfen, die mysteriösen Zustände in Hochtemperatur-Supraleitern zu verstehen, in denen die Natur der Quantenverbindungen eines der größten ungelösten Rätsel der Physik bleibt. Die Fähigkeit, diese tiefen Verschränkungen zu detektieren und zu messen, bietet einen konkreten Maßstab für das Testen von Theorien und das Entwerfen neuer Materialien. Sie führt das Feld von der bloßen Vermutung über das Vorhandensein von Quantenkorrelationen hin zum tatsächlichen Zählen derselben und bietet so ein klareres Bild der unsichtbaren Fäden, die die Quantenwelt zusammenhalten. Die Untersuchung von $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$ dient als Beweis der grundsätzlichen Machbarkeit und zeigt, dass mit den richtigen Werkzeugen und sorgfältiger Analyse die verborgene Komplexität von Quantenmaterialien ans Licht gebracht werden kann.