Eine Toolbox für die Quantenforschung: Empa-Forschende realisieren Quantenspin-Modelle mit Nanographenen

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Dübendorf, St. Gallen und Thun – Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) haben ein bedeutendes theoretisches Modell aus der Quantenphysik experimentell nachgebaut. Das Modell basiert auf den Arbeiten des Physik-Nobelpreisträgers Werner Heisenberg und wurde mithilfe von Nanographenen, winzigen Kohlenstoffmolekülen, realisiert. Diese synthetische "bottom-up"-Methode ermöglicht eine experimentelle Untersuchung von Quanteneffekten und könnte den Durchbruch in der Entwicklung von Quantentechnologien beschleunigen.

 

Quantenspin-Modelle experimentell bestätigt

Bereits 2024 gelang es Empa-Forschenden und ihren Partnern, ein eindimensionales alternierendes Heisenberg-Modell in einem synthetischen Material exakt nachzubauen. Dieses Modell beschreibt eine lineare Verkettung von Spins – eine Art von Quantenmagnetismus. Nun konnten die Forschenden unter der Leitung von Roman Fasel, Leiter des Empa-Labors "nanotech@surfaces", auch das homogene Gegenstück dieses Modells experimentell umsetzen.

 

Während beim alternierenden Modell die Spins abwechselnd stark und schwach miteinander verknüpft sind, sind sie im homogenen Modell gleichmäßig gekoppelt. Dieser Unterschied hat fundamentale Konsequenzen: Die Spins der homogenen Kette sind stark verschränkt und langreichweitig korreliert, und es existiert kein Energieabstand zwischen Grund- und angeregtem Zustand. Im Gegensatz dazu bildet die alternierende Kette eine Energielücke, und die Spins koppeln bevorzugt paarweise, wobei die Korrelationen exponentiell abfallen. Diese theoretischen Vorhersagen konnten die Forschenden in ihren Nanographen-Spinketten experimentell bestätigen. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe von Nature Materials veröffentlicht.

 

Nanographene als "Quanten-Lego"

Beide Quantenspin-Modelle wurden mit Nanographenen realisiert, kleinen Fragmenten des zweidimensionalen Kohlenstoffmaterials Graphen. Durch gezielte Steuerung der Form dieser Moleküle lassen sich ihre quantenphysikalischen Eigenschaften beeinflussen. Ziel ist die Entwicklung einer Materialplattform, die es ermöglicht, verschiedene Quantenmodelle und -effekte experimentell zu untersuchen.

 

Für das alternierende Spinketten-Modell nutzten die Forschenden "Clar's Goblets", sanduhrförmige Nanographen-Moleküle mit elf Kohlenstoffringen. Das homogene Heisenberg-Modell wurde mit Olympicen realisiert, einem Nanographen aus fünf Kohlenstoffringen, das aufgrund seiner Form an die olympischen Ringe erinnert.

 

"Wir haben nun zum zweiten Mal gezeigt, dass sich theoretische Modelle der Quantenphysik mit Nanographenen realisieren lassen und ihre Vorhersagen somit experimentell überprüfbar sind", erklärt Roman Fasel.

 

Perspektiven für die Quantentechnologie

In künftigen Experimenten wollen die Forschenden ferrimagnetische Spinketten mit Nanographenen herstellen. In diesen richten sich die magnetischen Momente antiparallel aus, heben sich jedoch nicht völlig auf. Auch zweidimensionale Spin-Gitter stehen im Fokus der Forschung, da sie eine Vielzahl exotischer Quantenphasen aufweisen, darunter Quanten-Spinflüssigkeiten und topologische Zustände. Diese komplexen Phänomene sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen von Bedeutung.

 

Das experimentelle Nachbauen von quantenphysikalischen Modellen hat einen hohen praktischen Nutzen: Quantentechnologien versprechen Fortschritte in Bereichen wie Kommunikation, Rechenleistung und Messtechnik. Doch Quantenzustände sind fragil, und ihre Effekte lassen sich nur schwer kontrollieren. Mit ihrem "Quanten-Lego" aus Nanographenen hoffen die Empa-Forschenden, die zugrunde liegenden Quanteneffekte besser zu verstehen und so den Weg für bahnbrechende Quantentechnologien zu ebnen.

 

 

Quellen:

C. Zhao, L. Yang, J. C. G. Henriques, M. Ferri-Cortés, G. Catarina, C. A. Pignedoli, J. Ma, X. Feng, P. Ruffieux, J. Fernández-Rossier, R. Fasel: Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains, Nature Materials (2025).

 

Herausgeber

Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

http://www.empa.ch