Ein handtellergroßer Kristall birgt eines der erstaunlichsten Quantenphänomene, die jemals in einem makroskopischen Objekt registriert wurden. Forschenden der Technischen Universität Wien ist es erstmals gelungen, die Existenz einer starken Vielteilchen-Quantenverschränkung experimentell zu bestätigen – ein Zustand, in dem Teilchen ihre Unabhängigkeit verlieren und stattdessen als koordiniertes Ganzes agieren.
Geleitet wird das Team von Professorin Silke Bühler-Paschen am Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Ihre Gruppe untersuchte einen Kristall aus Cer, Palladium und Silizium (Ce₃Pd₂₀Si₆), ein sogenanntes „seltsames Metall“, das Physikern zwar seit langem bekannt ist, aber nach wie vor Rätsel aufgibt. Diese Materialien weisen ungewöhnliche elektrische und magnetische Eigenschaften auf, die mit den Mitteln der klassischen Physik nicht zu erklären sind.
Die experimentellen Arbeiten fanden am Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble statt, einem der weltweit führenden Zentren für Neutronenforschung. Der Doktorand Federico Mazza beschoss den Kristall mit einem Neutronenstrahl und maß dessen Reaktion auf diese Störung. Mittels inelastischer Neutronenstreuung konnten die Forscher bei extrem tiefen Temperaturen und in einem präzise abgestimmten Magnetfeld ein detailliertes Bild der inneren Materialstruktur gewinnen.
Zur Analyse der Ergebnisse nutzten die Wissenschaftler ein Werkzeug aus der Quanteninformatik: die Quanten-Fisher-Information (QFI), eine Methode, die von dem Innsbrucker Theoretiker Peter Zoller und seiner Gruppe entwickelt wurde. Das Prinzip ist simpel: Besteht im System eine Quantenverschränkung, reagiert es deutlich stärker auf äußere Reize, als es die Summe der Einzelreaktionen unabhängiger Teilchen vermuten ließe. Durch Messung der Systemempfindlichkeit lässt sich somit der Grad der im Material verborgenen Verschränkung bestimmen.
In einem gewöhnlichen Kristall würde ein passierendes Neutron seine Energie an ein einzelnes Teilchen übertragen. Hier jedoch zeigte sich etwas völlig anderes: Die Daten offenbarten eine kollektive Antwort, die nicht durch die bloße Summe unabhängiger Beiträge erklärbar ist. Berechnungen ergaben, dass mindestens Gruppen von neun Quantenteilchen an dem verschränkten Zustand beteiligt sind und als Einheit fungieren.
Eine bildhafte Analogie verdeutlicht das Geschehen. Man stelle sich einen Ameisenhaufen vor: Bei einer Störung reagiert nicht jede Ameise individuell durch chaotisches Umherlaufen, sondern die gesamte Kolonie antwortet als ein einziger Organismus. Analog dazu zeigen die Teilchen im Kristall ein kollektives Verhalten – sie sind auf einer tiefen Ebene quantenmechanisch miteinander verknüpft und organisiert.
Die im Juni 2026 in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung. Sie belegen, dass eine starke Vielteilchen-Quantenverschränkung in seltsamen Metallen keine Ausnahme, sondern vielmehr eine wesentliche Eigenschaft ist. Diese Verschränkung scheint ihre außergewöhnlichen Merkmale zu erklären: die lineare Änderung des elektrischen Widerstands mit der Temperatur bei niedrigen Werten – ein Verhalten, das der herkömmlichen Elektronentheorie von Metallen widerspricht – und insbesondere das extrem geringe elektrische Rauschen, das Experimentatoren lange Zeit vor Rätsel stellte.
Die Entdeckung schlägt eine unerwartete Brücke zwischen zwei Gebieten der Physik: der Quanteninformatik und der Festkörperphysik. Sie beweist, dass Methoden der Quantenmetrologie, die ursprünglich in Laboren mit einzelnen Atomen und Photonen entwickelt wurden, direkt auf makroskopische Proben realer Materialien angewendet werden können, ohne dass eine perfekte Isolierung von der Umwelt nötig wäre. Damit verläuft die Grenze zwischen der „klassischen“ und der „Quantenwelt“ ganz woanders, als es in herkömmlichen Lehrbüchern bisher dargestellt wurde.
Die Perspektiven sind weitreichend und von praktischem Nutzen. Materialien mit einem derart hohen Grad an Quantenverschränkung könnten die Basis für hochempfindliche Quantensensoren bilden – Geräte, die Signale erfassen können, die für klassische Detektoren schlichtweg nicht messbar sind. Dies könnte die Messtechnik in der medizinischen Diagnostik, der Geophysik und der Grundlagenphysik revolutionieren.
