Квантова фізика зробила стрибок від теорії до реальності! Дослідники Empa вперше успішно створили давно передбачену одномірну черговану модель Гайзенберга, використовуючи синтетичні нанографени. Точно формуючи ці крихітні вуглецеві структури, вони відкрили нові способи маніпуляції квантовими станами, підтвердивши прогнози, зроблені понад століття тому. Цей прорив може стати ключовим етапом на шляху до реальних квантових технологій – від надшвидких обчислень до незламного шифрування.
Відтворення столітньої квантової моделі
У 2024 році дослідники Empa разом із партнерами досягли важливого прориву в квантовій фізиці, успішно створивши одномірну черговану модель Гайзенберга на основі синтетичного матеріалу. Ця теоретична модель, вперше запропонована майже століття тому, описує лінійний ланцюжок спінів – ключовий елемент у розумінні квантового магнетизму. Тепер команда під керівництвом Романа Фазеля, завідувача лабораторії nanotech@surfaces в Empa, зробила ще один крок уперед, вперше збудувавши споріднену модель спінового ланцюга в лабораторних умовах.
Невелика зміна з великими наслідками
Ключова відмінність між цими моделями полягає у зв’язку між спінами. У чергованій моделі Гайзенберга спіни взаємодіють через повторюваний малюнок сильних і слабких зв’язків. Однак у новій версії спіни з’єднані рівномірно. Ця невелика зміна призводить до суттєво різних ефектів:
- У гомогенному ланцюжку спостерігається сильне квантове заплутування та далекодіючі кореляції, а також відсутність енергетичного розриву між основним і збудженими станами.
- Чергована модель, навпаки, має енергетичний розрив, унаслідок чого спіни утворюють тісно зв’язані пари, а кореляції швидко згасають.
Побудувавши ці спінові ланцюги з нанографену, дослідники змогли з високою точністю підтвердити теоретичні прогнози, що є значним досягненням у експериментальній квантовій фізиці. Їхні проривні результати були опубліковані 14 березня в журналі Nature Materials.
Гомогенний ланцюжок Гайзенберга з Олімпіцену
Для реалізації моделі дослідники використали різні нанографени – маленькі фрагменти двовимірного матеріалу графену. Контролюючи форму цих фрагментів, вони змогли змінювати їхні квантові фізичні властивості. Їхня кінцева мета – створити матеріальну платформу, свого роду «квантовий LEGO», що дозволяє експериментально вивчати різні квантові моделі та ефекти.
У двох експериментах Гайзенберга вони використали:
- Чергований спіновий ланцюг – молекули нанографену, відомі як келихи Клара (Clar’s goblets), що мають форму пісочного годинника і складаються з одинадцяти вуглецевих кілець.
- Гомогенний ланцюг Гайзенберга – інший тип нанографену, Олімпіцен, що складається з п’яти кілець і отримав свою назву через схожість з олімпійськими кільцями.
Маленький крок до реальних квантових технологій
“Ми вже вдруге показали, що теоретичні моделі квантової фізики можна реалізувати за допомогою нанографенів, роблячи їхні передбачення експериментально перевірюваними”, — зазначає Фазель.
Наступний етап досліджень – створення та вивчення феримагнітних спінових ланцюгів, де магнітні моменти вирівнюються антипаралельно, але не повністю компенсуються. Також великої цікавості набули двовимірні спінові решітки, які демонструють набагато ширший спектр квантових фаз, включаючи топологічні стани, квантові спінові рідини та екзотичні критичні явища.
Міст між теорією та практичними квантовими технологіями
Відтворення моделей із підручників з квантової фізики – це не просто академічна вправа, а крок до реальних застосувань. Квантові технології обіцяють революцію у зв’язку, обчисленнях, вимірювальних технологіях тощо. Проте квантові стани надзвичайно тендітні, а їхні ефекти важко зафіксувати, що ускладнює пошук практичних застосувань. Створюючи свій «квантовий LEGO», дослідники Empa сподіваються глибше зрозуміти квантові ефекти та прокласти шлях до реальних квантових технологій.