В альтернирующей модели спины связаны в виде чередующихся сильных и слабых связей. Однако в новой модели вращения соединены равномерно. Это, казалось бы, незначительное различие приводит к принципиально иным свойствам: спины в однородной цепочке сильно запутаны и демонстрируют дальнодействующие корреляции без энергетического разрыва между основным состоянием и возбужденными состояниями. Напротив, в чередующейся цепи образуется энергетический разрыв, и ее спины имеют тенденцию образовывать прочные попарные связи, при этом корреляции быстро уменьшаются (экспоненциально). Исследователи смогли точно подтвердить эти предсказания теоретической квантовой физики в своих спиновых цепочках из нанографена. Соответствующие результаты только что были опубликованы в последнем выпуске журнала Nature Materials.

Обе модели были реализованы с использованием нанографенов, крошечных фрагментов двумерного углеродного материала графена. Точно контролируя форму этих фрагментов, исследователи могут манипулировать их (квантовыми) физическими свойствами. Цель состоит в разработке материальной платформы, которая позволяет экспериментально изучать различные квантовые модели и эффекты.

Приближение квантовых технологий на (крошечный) шаг к практическому применению

Два эксперимента Гейзенберга подчеркивают этот подход. Для модели чередующейся спиновой цепи исследователи использовали в качестве исходного материала так называемые бокалы Клара - молекулы нанографена в форме песочных часов, состоящие из одиннадцати углеродных колец. Для однородной цепочки Гейзенберга они использовали другой нанографен: Олимпицен, который состоит из пяти колец и обязан своим названием сходству с олимпийскими кольцами.

"Сейчас мы во второй раз продемонстрировали, что теоретические модели квантовой физики могут быть реализованы с помощью нанографенов, что делает их предсказания экспериментально проверяемыми", - говорит Фазель. Далее исследователи планируют использовать свои нанографены для создания и исследования ферримагнитных спиновых цепей. В этих цепочках магнитные моменты выстраиваются антипараллельным образом, но не уравновешиваются полностью. Также большой интерес представляют двумерные спиновые решетки, которые демонстрируют гораздо большее разнообразие фаз, чем спиновые цепочки, включая топологические состояния, квантовые спиновые жидкости и экзотические критические явления. Это делает их особенно интересными как для фундаментальных исследований, так и для практического применения.

В конце концов, воссоздание моделей из учебников по квантовой физике - это не просто академическое упражнение, оно служит и практической цели. Квантовые технологии обещают прорывы в области связи, вычислительной мощности, измерительных технологий и многого другого. Однако квантовые состояния хрупки, и их эффекты трудно уловить, что делает исследования в области реальных приложений особенно сложными. С помощью своего нанографенового "квантового лего" исследователи Empa надеются получить более глубокое понимание квантовых эффектов и, таким образом, проложить путь к применимым квантовым технологиям.