研究人员已经实验性地重现了另一个量子物理学领域的基本理论模型，这一理论可以追溯到诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡。成功实验的基础是由被称为纳米石墨烯的微小碳分子构成。这种自下而上的合成方法能够进行多样化的量子技术实验研究，这些技术未来可能有助于推动该领域的突破。
在2024年，Empa的研究人员和他们的合作伙伴首次成功实现了一种所谓的一维交替海森堡模型，采用了一种合成材料。这个近一个世纪以来都广为人知的理论量子物理模型描述了一条自旋的线性链——一种量子磁性。现在，由Empa纳米技术@表面实验室负责人罗曼·法塞尔领导的研究人员还能够在实验室中重构该模型的“兄弟”模型。
在交替模型中，自旋以交替强弱耦合的模式连接。然而，在新模型中，自旋是均匀连接的。这一看似微小的差异导致了根本不同的性质：均匀链中的自旋强烈纠缠，并展现出长范围的相关性，基态与激发态之间没有能量间隙。相比之下，交替链则出现能量间隙，其自旋倾向于形成强的成对结合，相关性迅速减小（呈指数方式）。研究人员能够精准确认这些理论量子物理的预测在他们的纳米石墨烯自旋链中。相关的研究结果刚刚发表在最新一期的《自然材料》上。
这两种模型都是通过纳米石墨烯实现的，这是一种二维碳材料石墨烯的微小碎片。研究人员通过精确控制这些碎片的形状，可以操控它们的（量子）物理性质。目标是开发一个材料平台，允许对各种量子模型和效应进行实验研究。
使量子技术向实际应用更进一步（微小的）一步
这两个海森堡实验突显了这一方法。在交替自旋链模型中，研究人员使用了所谓的克拉尔的酒杯作为起始材料，这是一种由十一碳环组成的沙漏形状的纳米石墨烯分子。对于均匀海森堡链，他们使用了另一种纳米石墨烯：奥林匹克烯，由五个环组成，因其形状与奥林匹克环相似而得名。
法塞尔表示：“我们现在第二次证明理论量子物理模型可以通过纳米石墨烯实现，使它们的预测可以在实验中进行检验。”接下来，研究人员计划利用他们的纳米石墨烯创建并研究铁磁自旋链。在这些链中，磁矩以反平行方式排列，但并未完全抵消。二维自旋晶格也颇具兴趣，它们展现出比自旋链更丰富的相态，包括拓扑态、量子自旋液体和奇特的临界现象。这使得它们在基础研究和实际应用中都特别吸引人。
毕竟，重现量子物理教科书中的模型不仅仅是学术练习——它还有实用的目的。量子技术有望在通信、计算能力、测量技术等多个领域带来突破。然而，量子态脆弱，其效应难以掌握，这使得现实应用的研究尤为具有挑战性。通过他们的纳米石墨烯“量子乐高”，Empa的研究人员希望深入理解量子效应，从而为可用的量子技术铺平道路。
