手のひらに収まるほどの結晶の中に、マクロな物体で観測されたものとしては過去最大級に驚くべき量子現象が秘められていました。ウィーン工科大学の研究チームは、複数の粒子が独立した個体としてではなく、相互に調整された一つのまとまりとして振る舞う「多体系の強い量子もつれ」の存在を、実験によって初めて実証しました。
この研究チームを率いるのは、ウィーン工科大学固体物理学研究所のシルケ・ビューラー＝パッシェン教授です。同教授のグループは、セリウム、パラジウム、シリコンから成る結晶（Ce₃Pd₂₀Si₆）を調査しましたが、これは「ストレンジ・メタル（奇妙な金属）」と呼ばれる、物理学者の間では古くから知られながらも謎に包まれた物質です。こうした材料は、古典物理学では説明のつかない特異な電気的・磁気的特性を示します。
実験は、中性子科学の世界的な拠点であるフランス・グルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所（ILL）で実施されました。博士課程の学生であるフェデリコ・マッツァ氏が結晶に中性子線を照射し、外部からの刺激に対する応答を測定しました。非弾性中性子散乱という手法を用いることで、精密に制御された磁場と極低温環境下における、材料内部の微細な構造の詳報を捉えることに成功したのです。
結果の解析にあたって研究チームは、インスブルック大学の理論物理学者ペーター・ツォラー教授のグループが開発した量子情報科学のツールである「量子フィッシャー情報（QFI）」を採用しました。その原理は単純で、系内に量子もつれが存在する場合、外部からの刺激に対する反応が個々の粒子の独立した反応の総和よりも大幅に強くなるという点にあります。このシステムの感度を測定することで、物質内部に隠された量子もつれの度合いを特定することが可能になります。
通常の結晶であれば、中性子が通過する際にそのエネルギーは個別の粒子へと伝達されます。しかし、今回の実験では全く異なる結果が得られ、個々の寄与の単純な足し合わせでは説明できない集団的な応答がデータによって明らかになりました。計算の結果、少なくとも9つの量子粒子がグループとなり、一つのまとまりとして量子もつれ状態にあることが判明したのです。
この現象を理解するには、ある比喩が役立ちます。アリの巣を想像してみてください。巣が刺激を受けたとき、個々のアリがバラバラに逃げ惑うのではなく、コロニー全体が一つの生命体のように反応する様子です。同様に、この結晶内の粒子も集団的な振る舞いを見せており、量子レベルで深く結びつき、組織化されていることがわかります。
2026年6月に学術誌『Nature Physics』で発表されたこの成果は、極めて重要な意味を持っています。今回の発見は、多体系の強い量子もつれが「ストレンジ・メタル」において稀な現象ではなく、むしろ不可欠な特性であることを裏付けるものです。この量子もつれこそが、低温域での電気抵抗の温度に対する線形変化や、従来の金属電子論とは一致しない挙動、そして何より長年実験者を悩ませてきた極めて低い電気ノイズといった、この物質の特異な性質の正体であると考えられます。
この発見は、量子情報科学と凝縮系物理学という二つの分野の間に、予期せぬ架け橋を築きました。単一の原子や光子を扱う実験室で培われた量子計測の手法が、外界から完全に遮断することなく、実在する材料のマクロな試料に直接適用できることを示したのです。これは、「古典的世界」と「量子世界」の境界線が、従来の教科書に描かれていた場所とは全く異なる場所に引かれていることを意味しています。
今回の研究がもたらす展望は広大であり、実用面での期待も高まっています。これほど高度な量子もつれを備えた材料は、従来の検出器では感知できないほど微弱な信号を捉える超高感度な量子センサーの基盤となり得ます。これは医療診断や地球物理学、そして基礎物理学の分野における計測技術に革命を起こす可能性を秘めています。
