Forschende der Empa haben ein weiteres fundamentales Modell der Quantenphysik experimentell nachgebaut. Dabei gelang es ihnen, eine homogene Heisenberg-Kette mit Nanographenen nachzubilden – ein bedeutender Schritt für die Entwicklung neuer Quantentechnologien.
Das Team um Roman Fasel, Leiter des Empa-Labors "nanotech@surfaces", setzt auf eine Art "Quanten-Lego" aus winzigen Kohlenstoff-Molekülen, um theoretische Modelle der Quantenphysik experimentell zu überprüfen. Bereits 2024 konnte die Gruppe ein alternierendes Heisenberg-Modell umsetzen, nun folgte das "Schwestermodell": eine homogene Kette, in der die Spins gleichmässig gekoppelt sind. Dieser scheinbar kleine Unterschied führt zu neuen quantenphysikalischen Eigenschaften, etwa einer starken Verschränkung und langreichweitigen Korrelationen der Spins. Im Gegensatz zur alternierenden Kette, die eine Energie-Lücke aufweist und deren Korrelationen rasch abfallen, zeigt die homogene Kette eine durchgehende Kopplung ohne Energieabstand zwischen Grundzustand und angeregten Zuständen. Diese fundamentalen Erkenntnisse wurden in der Fachzeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht.
Für die experimentelle Realisierung nutzten die Forschenden das Nanographen-Molekül Olympicen, das aus fünf Kohlenstoffringen besteht und aufgrund seiner Ähnlichkeit mit den olympischen Ringen benannt wurde. Ihre Ergebnisse bestätigen zentrale Vorhersagen der theoretischen Quantenphysik und liefern einen wertvollen Beitrag zum Verständnis von Quantenmaterialien.
Bedeutung für Technik und Gesellschaft
Diese Fortschritte haben weitreichende Implikationen für Wissenschaft, Technik und zukünftige Anwendungen. Quantenmagnetische Systeme spielen eine zentrale Rolle in der Erforschung von Quantentechnologien, die in Bereichen wie der Informationstechnologie, Sensorik und Materialwissenschaften revolutionäre Neuerungen ermöglichen könnten.
Eine potenzielle Anwendung dieser Erkenntnisse liegt in der Entwicklung neuer Quantencomputer. Diese Rechner nutzen quantenmechanische Effekte, um hochkomplexe Berechnungen durchzuführen, die mit klassischen Computern unlösbar wären. Die Forschung der Empa trägt dazu bei, Quantensysteme besser zu verstehen und so die Basis für stabile und skalierbare Quantenprozessoren zu legen. Insbesondere die starke Verschränkung der Spins in der homogenen Heisenberg-Kette ist ein wichtiger Baustein für zukünftige Quantenarchitekturen.
Darüber hinaus sind Quantenmaterialien von zentraler Bedeutung für neue Sensoren mit bisher unerreichter Präzision. Hochsensible Messgeräte, die auf quantenmechanischen Prinzipien basieren, könnten in der medizinischen Diagnostik, Umweltüberwachung oder sogar bei der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen eingesetzt werden.
Langfristig könnten solche Entwicklungen tiefgreifende Auswirkungen auf die Gesellschaft haben. Fortschritte in der Quantenkommunikation könnten hochsichere Verschlüsselungsmethoden ermöglichen, die konventionellen Hackerangriffen widerstehen. Gleichzeitig werfen solche Technologien auch neue ethische und sicherheitspolitische Fragen auf, etwa in Bezug auf die Kontrolle von Quantencomputern oder den Zugang zu Quantenverschlüsselung.
Mit dem "Quanten-Lego" aus Nanographenen schaffen die Empa-Forschenden eine Plattform, die nicht nur die Grundlagenforschung vorantreibt, sondern auch als Sprungbrett für zukünftige technologische Anwendungen dienen kann. In den kommenden Jahren wollen sie ihre Methode weiter verfeinern und neue Quantenmodelle experimentell umsetzen – ein entscheidender Schritt in Richtung nutzbarer Quantentechnologien, die Kommunikation, Rechenleistung und Messtechnik revolutionieren könnten.
Literatur
Chenxiao Zhao, Lin Yang, João C. G. Henriques, Mar Ferri-Cortés, Gonçalo Catarina, Carlo A. Pignedoli, Ji Ma, Xinliang Feng, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains"; Nature Materials, 2025-3-14
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, Volume 19, 2024-10-28