Een kristal dat in de palm van de hand past, herbergt een van de meest opmerkelijke kwantumverschijnselen die ooit in een macroscopisch object zijn vastgelegd. Onderzoekers van de Technische Universiteit Wenen hebben voor het eerst experimenteel het bestaan van sterke meerdeeltjes-kwantumverstrengeling bevestigd — een fenomeen waarbij deeltjes niet langer onafhankelijk zijn, maar zich als een gecoördineerd geheel gaan gedragen.
Het onderzoeksteam staat onder leiding van professor Silke Bühler-Paschen van het Instituut voor Fysica van de Vaste Stof aan de TU Wien. Haar groep bestudeerde een kristal bestaande uit cerium, palladium en silicium (Ce₃Pd₂₀Si₆) — een zogenoemd 'vreemd metaal', een materiaal dat al langer bekend is bij natuurkundigen maar nog altijd raadselachtig blijft. Deze materialen vertonen ongebruikelijke elektrische en magnetische eigenschappen die door de klassieke natuurkunde niet verklaard kunnen worden.
Het experimentele werk werd uitgevoerd bij het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankrijk, een van 's werelds belangrijkste centra voor neutronenonderzoek. PhD-student Federico Mazza bestookte het kristal met een neutronenbundel en analyseerde de reactie op deze verstoring. Dankzij inelastische neutronenverstrooiing konden de onderzoekers een gedetailleerd beeld krijgen van de interne structuur van het materiaal bij extreem lage temperaturen en in een uiterst nauwkeurig afgesteld magnetisch veld.
Voor de analyse van de resultaten maakten de wetenschappers gebruik van een instrument uit de kwantuminformatica: de Quantum Fisher Information (QFI), een methode ontwikkeld door de theoreticus Peter Zoller uit Innsbruck en zijn team. De essentie is eenvoudig: als er kwantumverstrengeling in een systeem aanwezig is, reageert het aanzienlijk sterker op externe verstoringen dan de som van de individuele reacties van afzonderlijke deeltjes. Door de gevoeligheid van het systeem te meten, kan de mate van verstrengeling die in het materiaal verborgen zit, worden vastgesteld.
In een gewoon kristal zou een neutron dat erdoorheen reist zijn energie overdragen aan één specifiek deeltje. In dit geval gebeurde er echter iets heel anders: de gegevens lieten een collectieve respons zien die onmogelijk te verklaren is door een simpele optelsom van onafhankelijke bijdragen. Berekeningen toonden aan dat bij de verstrengelde toestand groepen van minimaal negen kwantumdeeltjes betrokken zijn die als één geheel opereren.
Een treffende analogie helpt om dit proces beter te begrijpen. Stel je een mierenhoop voor: wanneer deze wordt verstoord, reageert niet elke mier afzonderlijk door willekeurig alle kanten op te rennen, maar de hele kolonie reageert als een enkel organisme. Op exact dezelfde wijze vertonen de deeltjes in het kristal collectief gedrag — ze zijn op een fundamenteel niveau kwantummechanisch met elkaar verbonden en georganiseerd.
De resultaten, die in juni 2026 in het tijdschrift Nature Physics zijn gepubliceerd, zijn van fundamentele betekenis. Ze bevestigen dat sterke meerdeeltjes-kwantumverstrengeling geen uitzondering is in vreemde metalen, maar juist een inherent kenmerk ervan. Deze verstrengeling lijkt de verklaring te vormen voor hun ongebruikelijke eigenschappen: de lineaire verandering in elektrische weerstand bij lage temperaturen — een gedrag dat afwijkt van de standaard elektronentheorie van metalen — en het bijzonder lage elektrische ruisniveau, een fenomeen waar experimentele natuurkundigen langdurig hun tanden op stuk hebben gebeten.
De ontdekking vormt een onverwachte brug tussen twee natuurkundige disciplines: de kwantuminformatica en de fysica van de gecondenseerde materie. Het toont aan dat methoden uit de kwantummetrologie, die zijn ontwikkeld in laboratoria met individuele atomen en fotonen, direct kunnen worden toegepast op macroscopische monsters van echte materialen zonder dat deze perfect geïsoleerd hoeven te zijn. Dit impliceert dat de scheidslijn tussen de 'klassieke' en de 'kwantumwereld' elders ligt dan waar leerboeken deze traditioneel hebben getrokken.
De perspectieven voor de toekomst zijn veelbelovend en praktisch toepasbaar. Materialen met een dergelijke mate van kwantumverstrengeling kunnen de basis leggen voor de ontwikkeling van ultragevoelige kwantumsensoren — apparaten die in staat zijn om signalen te detecteren die zo zwak zijn dat ze voor klassieke detectoren onzichtbaar blijven. Dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in meettechnieken binnen de medische diagnostiek, de geofysica en de fundamentele natuurkunde.
