Mithilfe spezieller Nanographen-Moleküle, darunter das sogenannte Clar’s Goblet, gelang es den Forschenden, eine lineare Kette von Elektronenspins zu erzeugen. Diese Ketten bilden die Grundlage für das alternierende Heisenberg-Modell, das die Wechselwirkungen von Spins in einer eindimensionalen Struktur beschreibt. Das Modell wurde vor fast 100 Jahren von Werner Heisenberg entwickelt und gilt als grundlegende Theorie in der Quantenmechanik.
Die Herstellung solcher Spinketten in realen Materialien war bislang nicht möglich. Nun hat das Team der Empa gezeigt, dass sich diese Ketten präzise synthetisieren und ihre physikalischen Eigenschaften detailliert vermessen lassen.
Bedeutung für die Zukunft der Quantentechnologien
„Wir haben bewiesen, dass sich theoretische Modelle der Quantenphysik experimentell überprüfen lassen“, erklärt Roman Fasel, Leiter des Empa-Labors „nanotech@surfaces“ und Co-Autor der Studie. „Unsere Forschung eröffnet neue Möglichkeiten, weitere theoretische Modelle in die Praxis zu übertragen.“
Die Ergebnisse, die kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurden, könnten Anwendungen in der Entwicklung von Quantencomputern und -materialien vorantreiben. Eine Folgestudie, in der ein weiteres Heisenberg-Modell untersucht wurde, steht kurz vor der Veröffentlichung.
Internationale Zusammenarbeit für Spitzenforschung
Der Durchbruch war nur durch enge Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungseinrichtungen möglich. Die Chemiker der Technischen Universität Dresden lieferten die Ausgangsmoleküle für die Synthese der Nanographen, während das International Iberian Nanotechnology Laboratory in Portugal theoretisches Know-how beisteuerte. Die Studie zeigt, wie wichtig interdisziplinäre Zusammenarbeit ist, um Quantenphysik in praktische Anwendungen zu übersetzen.
Literatur
Chenxiao Zhao, Gonçalo Catarina, Jin-Jiang Zhang, João C. G. Henriques, Lin Yang, Ji Ma, Xinliang Feng, Oliver Gröning, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Tunable topological phases in nanographene-based spin-1/2 alternating-exchange Heisenberg chains"; Nature Nanotechnology, 2024-10-28