Observation of multipartite spin entanglement in a cuprate chain

In de wereld van kwantummaterialen worden de meest fascinerende toestanden van materie niet gedefinieerd door de rangschikking van atomen, maar door hoe de elektronen daarin met elkaar verbonden zijn. Stel je een groep mensen voor waarbij elk individu via een onzichtbare, onbreekbare draad verbonden is met iedere andere persoon in de kamer; in de kwantumwereld wordt deze verbinding verstrengeling genoemd. Wanneer deeltjes verstrengeld zijn, verliezen ze hun individuele identiteit en gedragen ze zich als één enkel, verenigd systeem, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen is de motor achter de vreemde gedragingen van exotische materialen, van magneten die weigeren zich in een vast patroon te nestelen tot supergeleiders die elektriciteit geleiden zonder weerstand. Decennialang hebben wetenschappers geloofd dat deze complexe, sterk verstrengelde toestanden algemeen voorkomen in de natuur, maar het bewijzen van hun bestaan in een solide stuk materiaal is bijna onmogelijk geweest. De instrumenten die worden gebruikt om in deze materialen te kijken, zien meestal alleen het gemiddelde gedrag van miljarden deeltjes, waardoor de delicate, specifieke verbindingen die de kwantumtoestand definiëren, worden weggevaagd. Om deze materialen echt te begrijpen, hadden onderzoekers een manier nodig om precies te tellen hoeveel deeltjes samen verstrengeld zijn in één enkele, onscheidbare knoop.

Een team van natuurkundigen heeft nu deze prestatie geleverd door een krachtige techniek genaamd resonante inelastische röntgenverstrooiing te gebruiken om direct in het kwantumhart van een kopergebaseerd kristal te kijken. Ze richtten zich op een specifiek materiaal dat bekend staat als Sr2CuO3, dat lange, dunne ketens van koperatomen vormt. In deze eendimensionale structuur worden de elektronen gedwongen om op een zeer beperkte manier met elkaar te interageren, wat een perfect laboratorium creëert voor het bestuderen van kwantumverbindingen. Door hoogenergetische röntgenstraling op het kristal af te vuren en zorgvuldig te analyseren welk licht er terugkaatste, waren de onderzoekers in staat om de magnetische trillingen van de elektronen te isoleren. Ze ontdekten dat de elektronen in deze ketens bij lage temperaturen niet alleen als paren of kleine groepen optreden, maar diep verstrengeld zijn in groepen van minstens zeven. Dit betekent dat zeven afzonderlijke spins samen zijn vergrendeld in een enkele kwantumtoestand, een niveau van complexiteit dat tot de diepste ooit gemeten in een vast materiaal behoort. De ontdekking bevestigt dat deze materialen een hoogst verstrengelde grondtoestand herbergen, precies zoals theoretische modellen voorspelden, en dat deze verstrengeling verrassend robuust is, omdat deze zelfs standhoudt wanneer het materiaal wordt opgewarmd naar temperaturen waar dergelijke delicate kwantumeffecten gewoonlijk verdwijnen.

De betekenis van deze bevinding ligt in de methode die werd gebruikt om dit te onthullen. Jarenlang hebben wetenschappers vertrouwd op een wiskundig concept genaamd de Kwantum Fisher-informatie om de diepte van de verstrengeling te bepalen. Deze waarde fungeert als een getuige: als het getal hoog genoeg is, bewijst het dat een bepaald aantal deeltjes verstrengeld is. Het berekenen van dit getal vereist echter de exacte kennis van de toestand van elk deeltje, wat direct in een vaste stof onmogelijk te meten is. De doorbraak in dit werk was het vinden van een manier om deze informatie direct uit het spectrum van magnetische fluctuaties te extraheren die in het röntgendaterexperiment werden waargenomen. De onderzoekers moesten een aanzienlijke hindernis overwinnen: de röntgenstralen die zij gebruikten, interageren op twee verschillende manieren met het materiaal. De ene interactie draait de spin van een elektron om, terwijl de andere deze onveranderd laat. Deze twee signalen zijn gemengd in de data, wat het moeilijk maakt om de specifieke magnetische trillingen te zien die nodig zijn om de verstrengeling te berekenen. Door hun experimentele gegevens te combineren met nauwkeurige computersimulaties van het gedrag van het materiaal, slaagde het team erin om deze signalen wiskundig te scheiden. Ze isoleerden het specifieke deel van het signaal dat overeenkomt met het omdraaien van de spins, wat de sleutel is tot het meten van de verstrengelingsdiepte.

Toen ze deze methode toepasten op de verzamelde gegevens bij 35 Kelvin, waren de resultaten opmerkelijk. Aan de rand van het momentumbereik van het materiaal gaf de berekende waarde aan dat de elektronen verstrengeld zijn in groepen van minstens zeven. Dit is een diepgaand resultaat omdat het aantoont dat de kwantumcorrelaties in dit materiaal zich over een aanzienlijke afstand uitstrekken en een groot aantal deeltjes tegelijkert vol involveert. De onderzoekers testten ook hoe deze verstrengeling standhield naarmate de temperatuur toenam. Ze herhaalden het experiment bij 220 Kelvin, een veel warmere omgeving. Hoewel de verstrengeling inder afnam, zoals verwacht wanneer thermische energie de kwantumorde verstoort, vertoonde het materiaal nog steeds bewijs van minstens vijf deeltjes die samen verstrengeld zijn. Dit doorzettingsvermogen is opmerkelijk omdat de energieschalen in dit materiaal groot genoeg zijn om de kwantumtoestand stabiel te houden, zelfs bij temperaturen die de verstrengeling in de meeste andere systemen zouden vernietigen. De bevindingen komen perfect overeen met de voorspellingen van een theoretisch model dat bekend staat als het uitgebreide Hubbard-model, dat beschrijft hoe elektronen tussen atomen springen en elkaar afstoten. De overeenkomst tussen het experiment en de theorie valideert het model en bevestigt dat de onderzoekers inderdaad de ware kwantumnatuur van het materiaal meten.

Dit werk doet meer dan alleen een getal meten; het vestigt een nieuwe manier om de kwantumwereld te verkennen. Door te bewijzen dat röntgenverstrooiing kan worden gebruikt om verstrengeling te kwantificeren, hebben de onderzoekers een deur geopend naar het bestuderen van andere soorten verbindingen in materialen, zoals die die betrekking hebben op elektrische lading of de vorm van elektronenbanen. Deze techniek zou wetenschappers uiteindelijk kunnen helpen het mysterieuze toestanden te begrijpen die worden gevonden in hogetemperatuur-supergeleiders, waar de aard van de kwantumverbindingen een van de grootste onopgeloste puzzels in de natuurkunde blijft. Het vermogen om deze diepe verstrengelingen te detecteren en te meten, biedt een concreet ijkpunt voor het testen van theorieën en het ontwerpen van nieuwe materialen. Het brengt het vakgebied van het gissen naar de aanwezigheid van kwantumcorrelaties naar het daadwerkelijk tellen ervan, wat een helderder beeld geeft van de onzichtbare draden die de kwantumwereld samenbinden. De studie van Sr2CuO3 dient als een bewijs van principe, waarbij wordt aangetoond dat met de juiste instrumenten en zorgvuldige analyse de verborgen complexiteit van kwantummaterialen in het licht kan worden gebracht.