Ученые воссоздали теоретическую модель квантовой физики на графеновом «Лего»

Мультидисциплинарная команда европейских исследователей нашла способ проверить теорию квантовой физики, описывающую многосоставную спиновую систему. Ученые создали платформу для экспериментального изучения квантовых законов и создания квантовых устройств на основе спина.

Самая маленькая единица информации в компьютере — бит — может находиться в состоянии «включено» или «выключено», то есть представлять один или ноль. Квантовые компьютеры имеют собственную версию бита — кубит. Он также имеет два основных состояния, однако квантовые эффекты позволяют находиться в суперпозиции этих состояний. Значит, кубит может одновременно представлять и единицу, и ноль в различных пропорциях, что теоретически позволяет ему принимать бесконечное количество состояний.

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

При квантово-механическом взаимодействии спины начинают влиять 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 необходимой для описания системы уравнений практически невозможно.

Европейские исследователи применили «квантовый конструктор» для демонстрации известной теоретической модели квантовой физики. Сотрудники лаборатории Empa nanotech@surfaces (Швейцария) разработали метод, позволяющий контролировать «общение» многих спинов, а также «прослушивать» их взаимодействия. Вместе с учеными из Международной лаборатории нанотехнологий Иберии (Португалия) и Технического университета Дрездена (Германия) удалось создать модель цепочки электронных спинов на графене и детально измерить ее свойства.

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

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

Для своей реализации модели Гейзенберга исследователи взяли молекулу, называемую «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-м в команде Романа Фазеля (Roman Fasel) в лаборатории Empa nanotech@surfaces.

Исследователи соединили 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 менять их состояние. Это позволило детально изучить физику нового квантового материала с помощью созданной платформы.

«Мы показали, 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.