Группа европейских учёных разработала метод проверки теории квантовой физики, описывающей системы с множеством спинов. Для этого создана платформа, позволяющая изучать квантовые законы и создавать устройства на основе спина.
Самая мелкая информационная единица в компьютере — бит — может быть либо «включена», либо «выключена», то есть представлять единицу или ноль. Квантовые компьютеры используют кубит, который имеет два основных состояния. Благодаря квантовым эффектам кубит может находиться в суперпозиции этих состояний, одновременно представляя и единицу, и ноль в разных пропорциях. Теоретически это позволяет ему принимать бесконечное число состояний.
Одним из способов кодирования состояний «0» и «1» в кубите стало наведение ориентации спина электрона. Спин — фундаментальное свойство частиц, которое можно представить как вращение, направленное вверх (единица) или вниз (ноль).
При квантово-механическом взаимодействии спины оказывают влияние на состояние друг друга: изменение ориентации одного приводит к изменению ориентации всех связанных спинов. описатьМатематическое решение, даже для сравнительно простых последовательностей из нескольких спинов, недоступно по причине практической невозможности найти необходимое для описания системы уравнений точное выражение.
Европейские учёные использовали «квантовый конструктор», чтобы продемонстрировать известную теоретическую модель квантовой физики. nanotech@Швейцарские учёные разработали метод для управления взаимодействием множества спинов и прослушивания их коммуникаций. Вместе с исследователями Международной лаборатории нанотехнологий Иберии (Португалия) и Технического университета Дрездена (Германия) удалось создать модель цепочки электронных спинов на графене и изучить её свойства.
В основе теории взаимодействия спинов лежит простое правило: каждый спин сильна связан с одним соседом, а слаба — с другим. Такая система описывается одномерной чередующейся моделью Гейзенберга. существуютМатериалы с спиновыми цепями пока что невозможно изготавливать по запросу.
Чтобы создать искусственный квантовый материал, исследователи применили микроскопические кусочки графена, каждый содержащий менее 50 атомов углерода. Форма подобранных нанографеновых молекул существенно влияет на их физические характеристики, в том числе на спин. Каждый фрагмент служил своеобразной квантовой «деталью Лего», из которых ученые сформировали протяженные цепочки.
Чтобы воплотить модель Гейзенберга в жизнь, учёные выбрали молекулу, известную как «чаша Клара». В её структуре 11 углеродных колец упорядочены по форме песочных часов. Такая конфигурация обуславливает наличие на каждом конце неспаренного электрона со своим спином. Несмотря на то что химик Эрих Клар предсказал существование такой молекулы ещё в 1972 году, синтезировали ее только в 2019-м в команде Романа Фазеля (Roman Fasel) в лаборатории Empananotech@surfaces.
Учёные сформировали из графеновых «чаш Клара» цепочки на золотой поверхности. Два спина на концах каждой молекулы слабо взаимодействуют между собой, в то время как спины разных молекул крепко связаны – это воплощение чередующейся гейзенберговской цепочки.
Ученые научились точным образом регулировать длину цепочек, избирательно активировать и деактивировать отдельные спины, а также изменять их состояние. Это позволило детально исследовать физику нового квантового материала с помощью разработанной платформы.
Фазель заявляет: «Мы доказали, что теоретические модели квантовой физики можно воплотить с помощью нанографена для проведения экспериментов и подтверждения их результатов».
Научная работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.