Учёные разработали теоретическую модель квантовой физики, используя графеновые элементы в стиле «Лего».

Наименьшая единица информации в компьютере — бит — может находиться в двух состояниях: «включено» или «выключено», что соответствует единице или нулю. Квантовые компьютеры имеют свою версию бита — кубит. Он также может находиться в двух основных состояниях, однако благодаря квантовым эффектам способен находиться в суперпозиции этих состояний. Это означает, что кубит может одновременно представлять и единицу, и ноль в различных пропорциях, что теоретически позволяет ему принимать бесконечное количество состояний.

Один из способов кодирования состояний «0» и «1» в кубите заключается в ориентации спина электрона. Спин — это фундаментальное квантово-механическое свойство частиц, которое можно представить как вращение, направленное «вверх» (соответствует единице) или «вниз» (ноль).

При квантово-механическом взаимодействии спины начинают оказывать влияние на состояния друг друга: измените ориентацию одного — и она изменится у всех связанных спинов. Это способ «общения» кубитов между собой. Его можно описать математически, но даже для относительно простых цепочек из нескольких спинов точное решение необходимых для описания системы уравнений практически невозможно.

Исследователи из Европы использовали «квантовый конструктор» для демонстрации известной теоретической модели квантовой физики. Сотрудники лаборатории Empa nanotech@surfaces (Швейцария) разработали метод, позволяющий контролировать «общение» множества спинов, а также «прослушивать» их взаимодействия. В сотрудничестве с учеными из Международной лаборатории нанотехнологий Иберии (Португалия) и Технического университета Дрездена (Германия) была создана модель цепочки электронных спинов на графене с детальным измерением ее свойств.

Основная теория спинового взаимодействия проста: в цепи спинов каждый спин сильно взаимодействует с одним соседом и слабо — с другим. Это одномерная чередующаяся модель Гейзенберга. В природе существуют материалы со спиновыми цепями, но их до сих пор не удавалось целенаправленно интегрировать в материю.

Для создания искусственного квантового материала ученые использовали небольшие фрагменты графена, состоящие менее чем из 50 атомов углерода каждая. Для выбранных нанографеновых молекул форма значительно влияет на физические свойства, особенно на их спин. Каждый фрагмент выступал как своего рода наноразмерная квантовая «деталь Лего», из которых ученые смогли собрать длинные цепочки.

Для реализации модели Гейзенберга исследователи использовали молекулу, известную как «чаша Клара». Она состоит из 11 углеродных колец, расположенных в форме песочных часов. Благодаря этой форме на каждом конце находится неспаренный электрон со своим спином. Хотя химик Эрих Клар предсказал существование такой молекулы еще в 1972 году, синтезировали ее только в 2019 году командой Романа Фазеля (Roman Fasel) в лаборатории Empa nanotech@surfaces.

Исследователи объединили графеновые «чаши Клара» в цепочки на поверхности золота. Два спина на концах каждой молекулы связаны друг с другом слабо, в то время как спины, принадлежащие разным молекулам, связаны сильно — это идеальная реализация чередующейся гейзенберговской цепочки.

В итоге ученые смогли точно управлять длиной цепочек, выборочно включать и выключать отдельные спины и изменять их состояние. Это позволило детально изучить физику нового квантового материала с помощью созданной платформы.

«Мы продемонстрировали, что теоретические модели квантовой физики могут быть реализованы с помощью нанографена для экспериментальной проверки их предсказаний», — утверждает Фазель.

Научная работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.