Европейские ученые, представляющие различные научные направления, разработали метод проверки теории квантовой физики, касающейся сложных спиновых систем. Исследователи создали платформу для экспериментальной проверки квантовых принципов и разработки квантовых устройств, использующих спин.
Наименьшей единицей информации в компьютере является бит, который может быть в состоянии «включено» или «выключено», что соответствует единице или нулю. Квантовые компьютеры используют кубит – аналог бита. Он также обладает двумя основными состояниями, но благодаря квантовым эффектам может находиться в суперпозиции. Таким образом, кубит способен одновременно представлять и единицу, и ноль в разных соотношениях, что теоретически позволяет ему принимать бесконечное число состояний.
Для представления состояний «0» и «1» в кубите используется ориентация спина электрона. Спин – это базовое квантово-механическое свойство частиц, которое можно интерпретировать как вращение, направленное «вверх» (что соответствует единице) или «вниз» (ноль).
При квантово-механическом взаимодействии спины оказывают влияние на состояния друг друга: изменение ориентации одного приводит к изменению ориентации всех связанных спинов. Это позволяет кубитам «общаться» между собой описать математически, но даже для относительно простых цепочек из нескольких спинов точное решение необходимой для описания системы уравнений практически невозможно.
Используя «квантовый конструктор», европейские ученые продемонстрировали известную теоретическую модель, относящуюся к квантовой физике. В 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.
Согласно основной теории спинового взаимодействия, каждый спин в цепи сильно связан с одним ближайшим спином и слабо — с другим. Это представляет собой одномерную чередующуюся 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 исследователи использовали небольшие фрагменты графена, содержащие менее 50 атомов углерода. Форма выбранных нанографеновых молекул существенно влияет на их физические свойства, в частности, на спин. Каждый из этих фрагментов можно рассматривать как наноразмерный квантовый элемент, из которых ученые смогли создать длинные цепочки.
Для проверки справедливости модели Гейзенберга ученые использовали молекулу, известную как «чаша Клара». Она сформирована 11 углеродными кольцами, расположенными в виде песочных часов. Такая структура обуславливает наличие неспаренного электрона с собственным спином на каждом конце молекулы. Химик Эрих Клар еще в 1972 году предсказал возможность существования подобной молекулы, синтезировали ее только в 2019-м в команде Романа Фазеля (Roman Fasel) в лаборатории Empa nanotech@surfaces.
С помощью соединений графеновых «чаш Клара», расположенных на поверхности золота, ученые создали цепочки. Спины на концах каждой молекулы слабо взаимодействуют, тогда как спины, принадлежащие разным молекулам, демонстрируют сильное взаимодействие – это обеспечивает идеальную структуру чередующейся гейзенберговской цепочки.
Благодаря этому, исследователям удалось точно контролировать длину цепочек, выборочно активировать и деактивировать отдельные спины, а также изменять их состояние. Созданная платформа предоставила возможность детального изучения физических свойств этого нового квантового материала.
«По словам Фазеля, теоретические модели квантовой физики могут быть воплощены в нанографене, чтобы экспериментально подтвердить их прогнозы.
Научная работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.