从纳米石墨烯重建基本量子模型

计算机中最小的信息单位是位：开或关，1或0。今天，世界上的整个计算能力都建立在无数个1和0的组合和互连之上。量子计算机有自己的比特版本：量子位。它也有两种基本状态。主要区别在于：量子效应允许两种状态的叠加，因此量子比特不是1或0，而是同时为两者。在0和1的不同比例下，量子比特理论上可以呈现无限数量的状态

这种模糊性应该赋予量子计算机真正的“超级能力”。至少在理论上，基于量子的计算机可以在几分之一秒内完成计算，这让当今最好的超级计算机相形见绌。然而，量子计算尚未完全发展。最大的挑战之一是连接量子比特——因为一个（qu）比特并不是一台计算机

实现量子比特的0和1的一种方法是通过所谓的电子自旋的排列。自旋是电子和其他粒子的基本量子力学性质，简单地说，它是一种扭矩，可以指向“向上”（1）或“向下”（0）

当两个或多个自旋在量子力学上连接时，它们会影响彼此的状态：改变一个自旋的方向，其他所有自旋的方向也会改变。因此，这是使量子位相互“交谈”的好方法。然而，就像量子物理学中的许多事情一样，这种“语言”，即自旋之间的相互作用，是极其复杂的

尽管可以用数学方法描述，但即使对于只有几个自旋的相对简单的链，相关方程也很难精确求解。这并不是将理论付诸实践的最佳条件

模型成为现实

Empa的研究人员nanotech@surfaces实验室现在开发了一种方法，允许许多自旋以受控的方式相互“交谈”，这也使研究人员能够“倾听”它们，即理解它们的相互作用

他们与国际伊比利亚纳米技术实验室和德累斯顿工业大学的科学家一起，能够精确地创建电子自旋的原型链，并详细测量其特性。他们的研究结果现已发表在《自然纳米技术》杂志上

所有物理学学生都熟悉链背后的理论：以一个线性自旋链为例，其中每个自旋与其邻居之一强烈相互作用，与另一个自旋弱相互作用。这个所谓的一维交替海森堡模型是由物理学家、后来的诺贝尔奖获得者维尔纳·海森堡在近100年前描述的，他是量子力学的创始人之一。尽管自然界中存在含有这种自旋链的材料，但目前还不可能将这些链有意地结合到材料中

Empa的负责人Roman Fasel解释说：“真实的材料总是比理论模型复杂得多。”nanotech@surfaces实验室和该研究的合著者

由碳制成的“高脚杯”

为了制造这种人造量子材料，Empa的研究人员使用了二维碳材料石墨烯的微小碎片。这些纳米石墨烯分子的形状会影响它们的物理性质，特别是它们的自旋——一种纳米级的量子乐高积木，科学家们可以从中组装出更长的链

对于他们的海森堡模型，研究人员使用了所谓的克拉杯分子。这种特殊的纳米石墨烯分子由11个呈沙漏状排列的碳环组成。由于这种形状，在每一端都有一个未配对的电子，每个电子都有相关的自旋。尽管化学家Erich Clar早在1972年就做出了预测，但Clar's Goblet直到2019年才由Fasel的团队在nanotech@surfaces实验室

研究人员现在已经将高脚杯连接在金表面上，形成链条。分子内的两个自旋是弱连接的，而分子间的自旋是强连接的——这是交替海森堡链的完美实现。研究人员能够精确地操纵链的长度，有选择地打开和关闭单个自旋，并将它们从一种状态“翻转”到另一种状态，使他们能够非常详细地研究这种新型量子材料的复杂物理学

从理论到实践，法塞尔坚信，正如克拉杯的合成使海森堡链的产生成为可能一样，这项研究将为量子研究打开新的大门

“我们已经证明，量子物理学的理论模型可以用纳米石墨烯来实现，以便通过实验来检验他们的预测，”研究人员说。“具有其他自旋构型的纳米石墨烯可以连接形成其他类型的链，甚至更复杂的系统。”

Empa的研究人员以身作则：在即将发表的第二项研究中，他们能够重建一种不同类型的海森堡链，其中所有自旋都是平等连接的

要站在应用量子物理学的前沿，来自不同学科的理论和实验科学家需要共同努力。德累斯顿工业大学的化学家为Empa研究人员提供了合成Clar小酒杯的起始分子。葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的研究人员为该项目贡献了他们的理论专长

法塞尔强调，实现这些突破所需的理论不仅仅是物理教科书中的理论，而是量子物理模型和实验测量之间的复杂转换 More information: Chenxiao Zhao et al, Tunable topological phases in nanographene-based spin-1/2 alternating-exchange Heisenberg chains, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01805-z

Journal information: Nature Nanotechnology