量子もつれは通常、厳密に制御された実験の領域である。すなわち、数個のトラップイオン、一握りの光子、小さな超伝導量子ビット配列などである。もつれが通常の固体物質、手のひらに乗る結晶の中に存在しうるという考えは、理論的には予想されていたものの、証明するのは極めて困難であった。
今度、ウィーン工科大学（TU Wien）、ヴュルツブルク大学、ライス大学の研究者らがまさにそれを成し遂げた。量子情報理論のツールである量子フィッシャー情報のレンズを通して分析された中性子散乱データを用いて、彼らはストレンジメタルCe₃Pd₂₀Si₆のセンチメートル規模の結晶が、集団的に作用する少なくとも9個の量子もつれ実体のグループを含むことを示した。この結果は6月15日付でNature Physicsに掲載された。
「これは特定の材料の詳細ではなく、一般的な物理原理です」と、ヴュルツブルク大学の理論物理学者ファケル・アサード氏は述べた。「強いもつれはストレンジメタルの異常な挙動に直接結びついているようです。」
測定不可能なものを測定する
問題の材料、Ce₃Pd₂₀Si₆（セリウム、パラジウム、シリコンの化合物）は「ストレンジメタル」であり、電気抵抗率が温度とともに直線的に増加し、通常の金属の従来のT²挙動に反する材料の一種である。ストレンジメタルは高温超伝導体、重い電子系化合物、ツイスト bilayer グラフェンに見られ、その異常な輸送特性は数十年にわたって物理学者を悩ませてきた。
TU Wienのチームは、フランス・グルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所（ILL）にあるThALES冷中性子三軸分光器を用いて、結晶に中性子を照射し、動的スピン相関、すなわち材料内の磁気揺らぎがエネルギー移動にどのように応答するかを測定した。このデータから、彼らは量子フィッシャー情報（QFI）を計算した。これは、量子システムが摂動にどの程度敏感に応答するかを定量化する量子計量学の量である。
論理は単純である。独立した粒子は限られた集団応答しか生み出せない。測定された応答がその限界を超える場合、粒子はもつれていなければならない。絶対零度のすぐ上の温度60ミリケルビンで、チームはQFI値8.2を測定し、これは少なくとも9個の粒子のもつれ深度に相当する。実際の深度はもっと大きい可能性がある。著者らは、彼らの推定は控えめな下限であり、材料内の誘導磁気モーメントが想定より小さい場合、もつれ実体の実際の数は桁違いに大きくなる可能性があると指摘している。
「これらは単なるもつれ粒子のペアではありません」と、本研究の第一著者でTU Wienの博士課程学生であるフェデリコ・マッツァ氏は述べた。「これは多部もつれであり、多くのパーティが同時に関与する真に集団的な量子状態です。」
ストレンジメタルにとっての意味
この結果は、ストレンジメタルの挙動に対する微視的な説明を提供する。従来の金属では、電荷キャリア（電子）は独立した粒子のように振る舞い、その相互作用は摂動的に扱うことができる。ストレンジメタルでは、本研究で発見された強いもつれは、キャリアが粒子のような特性を失うことを意味する。つまり、それらはもはや独立した実体ではなく、集団的量子状態の一部なのである。これにより、同じグループが2025年に報告した超低電気ノイズなど、ストレンジメタルがなぜこれほど異常な特性を示すのかが説明される。
「巨視的な固体における強い多部もつれの直接測定はこれが初めてです」と、TU Wienの主任実験家であるシルケ・パッシェン氏は述べた。「これは量子材料についてのまったく新しい考え方を開くものです。」
この研究はまた、理論的枠組みを検証する。凝縮系におけるもつれ検出のためのQFIアプローチは比較的最近開発され（Hauke et al., Nature Physics, 2016）、これはその最も顕著な応用の一つである。研究者らは、ドイツのSUPERMUC-NGスーパーコンピュータ上で動作する量子モンテカルロシミュレーションを用いて実験結果を確認し、近藤破壊モデル（重い電子系システムにおける量子臨界性のための特定の理論的枠組み）が量子臨界点でのQFIのスケールフリーな増加を再現することを示した。
量子材料のための新しいプローブ
この意義は単一の材料を超えて広がる。QFI-中性子散乱技術は現在、他のストレンジメタルプラットフォーム、すなわち銅酸化物超伝導体、鉄系ニクタイド、有機伝導体、ツイスト bilayer グラフェンなどのモアレ材料にも適用できる。強いもつれが実際にストレンジメタルの普遍的な特徴であるならば、それは異種の現象群を単一の量子原理の下に統一することになる。
注意点は、凝縮系物理学の最前線での測定に典型的なものである。もつれはQFI分析から推測されるものであり、直接測定されたものではない。報告されたもつれ深度は下限である。測定は単一の波数ベクトルで行われ、ブリルアンゾーン全体にわたってマッピングされたものではない。そしてこの手法は超低温と高いエネルギー分解能を必要とし、日常的な特性評価ツールとは程遠い。
それでもなお、この結果は、巨視的な量子もつれが通常の固体物質に存在し、それが検出・定量化可能であることを確立する。原子ごとにより大きなもつれシステムを構築するために数十年を費やしてきた分野にとって、これは、自然界がすでにそれを大規模に、実験室の棚にずっと置かれていた材料の中で行っているかもしれないということを思い出させるものである。
雅子 訳
出典: Mazza, F., Biswas, S., Yan, X. et al. 「Quantum Fisher information in a strange metal.」 Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03298-0