Вчені відтворили теоретичну модель квантової фізики за допомогою графенового «Лего».

Найменша одиниця інформації в комп'ютері — біт — може бути в стані «включено» або «вимкнено», тобто представляти одиницю або нуль. Квантові комп'ютери мають власну версію біта — кубіт. Він також має два основних стани, проте квантові ефекти дозволяють перебувати в суперпозиції цих станів. Це означає, що кубіт може одночасно представляти і одиницю, і нуль у різних пропорціях, що теоретично дозволяє йому приймати безкінечну кількість станів.

Один із способів кодування станів «0» і «1» у кубіті полягає в орієнтації спіну електрона. Спін — фундаментальна квантово-механічна властивість частинок, яку можна уявити як певне обертання, спрямоване «вгору» (відповідає одиниці) або «вниз» (нуль).

При квантово-механічній взаємодії спіни починають впливати на стани один одного: змініть орієнтацію одного — і вона зміниться у всіх пов'язаних спінів. Це спосіб «спілкування» кубітів між собою. Його можна описати математично, але навіть для відносно простих ланцюгів із кількох спінів точне рішення необхідних для опису системи рівнянь практично неможливе.

Європейські дослідники застосували «квантовий конструктор» для демонстрації відомої теоретичної моделі квантової фізики. Співробітники лабораторії Empa nanotech@surfaces (Швейцарія) розробили метод, що дозволяє контролювати «спілкування» багатьох спінів, а також «прослуховувати» їх взаємодії. Разом із вченими з Міжнародної лабораторії нанотехнологій Іберії (Португалія) та Технічного університету Дрездена (Німеччина) вдалося створити модель ланцюга електронних спінів на графені та детально виміряти її властивості.

Базова теорія спінового взаємодії проста: у ланцюгу спінів кожен спін сильно взаємодіє з одним із сусідів і слабо — з іншим. Це одновимірна чергуючася модель Гейзенберга. У природі існують матеріали зі спіновими ланцюгами, але їх досі не вдалося цілеспрямовано вбудувати в матеріал.

Для створення штучного квантового матеріалу вчені використали маленькі фрагменти графена, які складаються менш ніж з 50 атомів вуглецю кожен. Для обраних нанографенових молекул форма сильно впливає на фізичні властивості, особливо на їх спін. Кожен фрагмент виступав як своєрідна наноразмірна квантова «деталь Лего», з таких деталей вчені змогли зібрати довгі ланцюги.

Для реалізації своєї моделі Гейзенберга дослідники взяли молекулу, що називається «чаша Клара». Вона складається з 11 вуглецевих кілець, розташованих у формі піскового годинника. Завдяки цій формі на кожному кінці знаходиться неспарений електрон зі своїм спіном. Хоча хімік Еріх Клар передбачив існування такої молекули ще в 1972 році, синтезували її тільки в 2019 році в команді Романа Фазеля (Roman Fasel) у лабораторії Empa nanotech@surfaces.

Дослідники з'єднали графенові «чаші Клара» в ланцюги на поверхні золота. Два спіни на кінцях кожної молекули пов'язані один з одним слабо, в той час як спіни, що належать різним молекулам, пов'язані сильно — це ідеальна реалізація чергуючоїся гейзенберговської ланцюга.

В результаті вчені змогли точно керувати довжиною ланцюгів, вибірково вмикати та вимикати окремі спіни і змінювати їх стан. Це дозволило детально вивчити фізику нового квантового матеріалу за допомогою створеної платформи.

«Ми показали, що теоретичні моделі квантової фізики можуть бути реалізовані за допомогою нанографена для експериментальної перевірки їхніх передбачень», — стверджує Фазель.

Наукова робота опублікована в журналі Nature Nanotechnology.