Kuantum olayları genellikle tek tek atomlar, moleküller veya fotonlar gibi çevrelerinden dikkatlice izole edilmesi gereken son derece küçük nesnelerle ilişkilendirilir. Peki aynı tuhaf kuantum etkileri, görüp tutabileceğimiz kadar büyük nesnelerde de var olabilir mi?
TU Wien'deki araştırmacılar şimdi bunun mümkün olduğuna dair güçlü kanıtlar sundu. Garip metal olarak bilinen bir malzemeden yapılmış santimetre boyutunda bir kristali inceleyen ekip, kuantum fiziğinin en dikkat çekici özelliklerinden biri olan yüksek derecede kuantum dolanıklığı tespit etti. Bunu, kuantum bilgi biliminden bir teknik olan kuantum Fisher bilgisini kullanarak başardılar.
Sonuçlar, kuantum bilgisi ile katı hal fiziği arasında yeni bir bağlantı kurarak, makroskopik bir garip metalde kuantum dolanıklığının doğrudan ölçülebildiğini gösteriyor.
Schrödinger'in Kedisinden Karınca Yuvasına
Kuantum mekaniğinin yalnızca küçük parçacıklar için mi geçerli olduğu yoksa daha büyük nesneler için de mi geçerli olduğu, alanın ilk günlerinden beri tartışılıyor. Fizikçi Erwin Schrödinger, gözlemlenene kadar aynı anda hem canlı hem ölü olan bir kediyle ilgili ünlü düşünce deneyiyle bu gizemi örneklendirmişti. O zamandan beri bilim insanları, kuantum davranışı sergileyebilecek bir sistemin ne kadar büyük olabileceğinin sınırlarını defalarca zorladı.
TU Wien ekibi konuya farklı bir açıdan yaklaştı. TU Wien Katı Hal Fiziği Enstitüsü'nden Prof. Silke Bühler-Paschen, "Bizim yaklaşımımız farklı. Kristali bir bütün olarak iki durumun süperpozisyonuna getirmeye çalışmıyoruz. Bunun yerine, bileşenlerinin -toplu olarak- böyle bir dolanıklık durumunda olup olmadığını soruyoruz" dedi.
Bühler-Paschen, deneyin Schrödinger'in kedisinden çok bir karınca yuvasına benzediğini söylüyor. Bir karınca yuvası rahatsız edildiğinde, tepki tek bir karıncadan değil, koloninin birlikte hareket etmesinden gelir. Araştırmacılar, kristalin içindeki parçacıkların benzer şekilde koordineli bir şekilde davranıp davranmadığını belirlemek istedi.
Kuantum Fisher Bilgisi Gizli Dolanıklığı Ortaya Çıkarıyor
Deneyin arkasındaki teorik çerçeve, Innsbrucklu kuantum fizikçisi Peter Zoller ve meslektaşları tarafından geliştirildi. Çalışmaları, kuantum Fisher bilgisinin, çok sayıda etkileşen parçacıktan oluşan karmaşık sistemlerde bile kuantum dolanıklığını belirlemek için kullanılabileceğini gösterdi.
Bühler-Paschen, "Kuantum Fisher bilgisi, bir kuantum sisteminin bir değişikliğe ne kadar duyarlı tepki verdiğini ölçer. Bağımsız parçacıklardan oluşan bir koleksiyon için tepki sınırlıdır çünkü her parçacık kendi başına katkıda bulunur. Ancak parçacıklar birbirine dolanıksa, tüm sistem tek tek parçalarının toplamından daha güçlü tepki verebilir. Bu artırılmış hassasiyet, dolanıklığı kuantum metrolojisi için bu kadar değerli bir kaynak yapan şeydir; burada son derece küçük sinyalleri en yüksek hassasiyetle tespit etmek amaçlanır. Bir sistemin bir bozulmaya ne kadar güçlü tepki verdiğini ölçerek, malzemede ne kadar dolanıklık olduğu tahmin edilebilir" diye açıklıyor.
Basit bir ifadeyle, güçlü bir şekilde dolanık bir sistem, bozulmalara bağımsız parçacıklardan oluşan bir koleksiyondan daha dramatik tepki verir ve araştırmacıların ne kadar dolanıklık olduğunu tahmin etmesine olanak tanır.
Garip Metal Kristali Toplu Kuantum Davranışı Gösteriyor
Fikri test etmek için araştırmacılar, seryum, paladyum ve silikondan oluşan bir kristal oluşturdu. Bu malzeme, fizikçileri uzun süredir büyüleyen ve yalnızca kısmen anlaşılabilen olağandışı kuantum özellikleri sergileyen garip metaller sınıfına ait.
Grenoble'daki Institut Laue-Langevin'de (ILL) doktora öğrencisi Federico Mazza, kristale nötronlar ateşledi ve tepkisini ölçtü. Mazza, "Normal bir malzemede, bir nötronun enerjisini tek bir parçacığa aktarması beklenir. Ancak verileri kuantum Fisher bilgisini kullanarak analiz ettiğimizde, bağımsız parçacıklar açısından açıklanamayacak bir tepki bulduk. Bunun yerine, en az dokuz kuantum dolanık varlıktan oluşan grupların toplu olarak hareket ettiğini gösteriyor" dedi.
Ölçümler, avucunuzun içine rahatça sığacak kadar büyük katı bir kristalin içinde güçlü çok parçacıklı kuantum dolanıklığının doğrudan kanıtını sağlıyor.
Garip Metallerin Gizemini Çözmek
Araştırmacılar aslında garip metallerin neden geleneksel malzemelerden bu kadar farklı davrandığını daha iyi anlamak için yola çıktı. Benzer davranış, yüksek sıcaklık süperiletkenleri de dahil olmak üzere diğer sistemlerde de bulunuyor.
Bilim insanları beklenmedik özellikleri keşfetmeye devam ettikçe, garip metallere olan ilgi son yıllarda hızla arttı. 2025'te TU Wien ve Rice Üniversitesi'nden araştırmacılar, elektrik akımının bu malzemelerde alışılmadık derecede düşük elektriksel gürültüyle hareket ettiğini bildirmişti. Yeni gözlemlenen kuantum dolanıklığı bunun nedenini açıklamaya yardımcı olabilir. Parçacıklar bağımsız hareket etmek yerine, akım dalgalanmalarını bastıracak şekilde davranışlarını koordine ediyor gibi görünüyor.
Çalışmanın baş teorisyeni Würzburg Üniversitesi'nden Fakher Assaad, "Burada gördüğümüz, belirli bir malzemenin bir detayı değil, genel bir fiziksel ilkedir. Güçlü dolanıklık, garip metallerin olağandışı davranışıyla doğrudan bağlantılı görünüyor" dedi.
Geleceğin Kuantum Teknolojilerine Doğru
Araştırmacılar, çalışmanın kuantum bilgi bilimi ve yoğun madde fiziğinden gelen fikirleri bir araya getirmenin değerini gösterdiğine inanıyor. Silke Bühler-Paschen, "Sonuçlar bizim için büyük bir başarı. Yeni malzemelerin katı hal fiziği çalışmaları için kuantum bilgi biliminden yöntemler kullanma yönündeki alışılmadık yaklaşımımızın temelde yeni bir anlayış ortaya çıkarabileceğini doğruluyor" dedi.
Ekip şimdi fikirlerin ters yönde değişimine bakıyor. Garip metallerin, son derece küçük sinyalleri olağanüstü hassasiyetle tespit edebilen yüksek hassasiyetli kuantum metroloji sistemleri de dahil olmak üzere kuantum teknolojileri için yararlı olup olamayacağını belirlemeyi umuyorlar.