Observation of multipartite spin entanglement in a cuprate chain

Nel mondo dei materiali quantistici, gli stati della materia più affascinanti non sono definiti dalla disposizione degli atomi, ma da come gli elettroni al loro interno siano connessi. Immaginate un gruppo di persone in cui ogni individuo è legato a tutti gli altri nella stanza da un filo invisibile e indistruttibile; nel regno quantistico, questa connessione è chiamata entanglement. Quando le particelle sono entangled, perdono la loro identità individuale e si comportano come un unico sistema unificato, indipendentemente da quanto siano distanti tra loro. Questo fenomeno è il motore dietro i comportamenti bizzarri dei materiali esotici, dai magneti che si rifiutano di stabilizzarsi in un modello fisso ai superconduttori che conducono elettricità senza resistenza. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questi stati complessi e altamente entangled siano comuni in natura, eppure dimostrare la loro esistenza in un pezzo solido di materiale è stato quasi impossibile. Gli strumenti utilizzati per guardare dentro questi materiali vedono solitamente solo il comportamento medio di miliardi di particelle, cancellando le connessioni delicate e specifiche che definiscono lo stato quantistico. Per comprendere veramente questi materiali, i ricercatori avevano bisogno di un modo per contare esattamente quanti particelle sono aggrovigliate insieme in un singolo nodo inseparabile.

Un team di fisici ha ora compiuto questa impresa, utilizzando una potente tecnica chiamata scattering di raggi X inelastico per guardare direttamente nel cuore quantistico di un cristallo a base di rame. Si sono concentrati su un materiale specifico noto come $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$, che forma lunghe e sottili catene di atomi di rame. In questa struttura monodimensionale, gli elettroni sono costretti a interagire in un modo molto vincolato, creando un laboratorio perfetto per studiare le connessioni quantistiche. Sparaing raggi X ad alta energia contro il cristallo e analizzando attentamente la luce che rimbalzava indietro, i ricercatori sono stati in grado di isolare le vibrazioni magnetiche degli elettroni. Hanno scoperto che, a basse temperature, gli elettroni in queste catene non stanno solo agendo in coppie o piccoli gruppi, ma sono profondamente entangled in gruppi di almeno sette. Ciò significa che sette spin separati sono bloccati insieme in un singolo stato quantistico, un livello di complessità che è tra i più profondi mai misurati in un materiale solido. La scoperta conferma che questi materiali ospitano uno stato fondamentale altamente entangled, esattamente come previsto dai modelli teorici, e che questo entanglement è sorprendentemente robusto, sopravvivendo anche quando il materiale viene riscaldato a temperature in cui tali delicati effetti quantistici di solito svaniscono.

La significatività di questa scoperta risiede nel metodo utilizzato per svelarla. Per anni, gli scienziati si sono affidati a un concetto matematico chiamato Informazione di Fisher Quantistica per determinare la profondità dell'entanglement. Questo valore funge da testimone: se il numero è sufficientemente alto, prova che un certo numero di particelle sono entangled. Tuttavia, calcolare questo numero richiede solitamente la conoscenza dello stato esatto di ogni particella, il che è impossibile da misurare direttamente in un solido. La svolta in questo lavoro è stata trovare un modo per estrarre questa informazione direttamente dallo spettro delle fluttuazioni magnetiche osservate nell'esperimento con raggi X. I ricercatori hanno dovuto superare un ostacolo significativo: i raggi X che hanno utilizzato interagiscono con il materiale in due modi diversi. Un'interazione inverte lo spin di un elettrone, mentre l'altra lo lascia invariato. Questi due segnali sono mescolati nei dati, rendendo difficile vedere le specifiche vibrazioni magnetiche necessarie per calcolare l'entanglement. Combinando i loro dati sperimentali con precise simulazioni al computer del comportamento del materiale, il team è stato in grado di separare matematicamente questi segnali. Hanno isolato la parte specifica del segnale che corrisponde all'inversione degli spin, che è la chiave per misurare la profondità dell'entanglement.

Quando hanno applicato questo metodo ai dati raccolti a 35 Kelvin, i risultati sono stati sorprendenti. Al limite dell'intervallo di momento del materiale, il valore calcolato indicava che gli elettroni erano entangled in gruppi di almeno sette. Questo è un risultato profondo perché dimostra che le correlazioni quantistiche in questo materiale si estendono su una distanza significativa, coinvolgendo un gran numero di particelle simultaneamente. I ricercatori hanno anche testato come questo entanglement resistesse all'aumentare della temperatura. Hanno ripetuto l'esperimento a 220 Kelvin, un ambiente molto più caldo. Sebbene l'entanglement si fosse indebolito, come previsto quando l'energia termica interrompe l'ordine quantistico, il materiale mostrava ancora prove di almeno cinque particelle entangled insieme. Questa persistenza è straordinaria perché le scale energetiche in questo materiale sono sufficientemente grandi da mantenere stabile lo stato quantistico anche a temperature che distruggerebbero l'entanglement in altri sistemi. I risultati si allineano perfettamente con le previsioni di un modello teorico noto come modello di Hubbard esteso, che descrive come gli elettroni saltino tra gli atomi e si respingano tra loro. L'accordo tra l'esperimento e la teoria valida il modello e conferma che i ricercatori stanno effettivamente misurando la vera natura quantistica del materiale.

Questo lavoro fa molto di più che misurare un numero; stabilisce un nuovo modo per esplorare il mondo quantistico. Dimostrando che lo scattering di raggi X può essere utilizzato per quantificare l'entanglement, i ricercatori hanno aperto una porta per studiare altri tipi di connessioni nei materiali, come quelle che coinvolgono la carica elettrica o la forma delle orbite elettroniche. Questa tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere infine i misteriosi stati presenti nei superconduttori ad alta temperatura, dove la natura delle connessioni quantistiche rimane uno dei più grandi enigmi irrisolti della fisica. La capacità di rilevare e misurare questi profondi entanglement fornisce un parametro concreto per testare le teorie e progettare nuovi materiali. Sposta il campo dal semplice ipotizzare la presenza di correlazioni quantistiche al contarle effettivamente, offrendo un quadro più chiaro dei fili invisibili che legano il mondo quantistico. Lo studio di $\text{Sr}_2\text{CuO}_3$ funge da prova di principio, mostrando che con gli strumenti giusti e un'analisi attenta, la complessità nascosta dei materiali quantistici può essere portata alla luce.