Empa-Forschende des «nanotech@surfaces»-Labors haben ein weiteres fundamentales theoretisches Modell aus der Quantenphysik experimentell nachgebaut, das auf den Physik-Nobelpreisträger Werner Heisenberg zurückgeht.
Grundlage für das erfolgreiche Experiment bildete eine Art «Quanten-Lego» aus winzigen Kohlenstoff-Molekülen, sogenannten Nanographenen. Diese synthetische «bottom-up» Methode ermöglicht vielseitige experimentelle Forschung an Quantentechnologien, die diesen einst zum Durchbruch verhelfen könnte.»
Das eindimensionale alternierende Heisenberg-Modell ist seit beinahe 100 Jahren als theoretisches quantenphysikalische Modell bekannt. Es beschreibt eine lineare Verkettung von Spins – eine Art Quantenmagnetismus. Nun konnten Empa-Forscher das «Schwestermodell» ebenfalls im Labor rekonstruieren. Im Gegensatz zum alternierenden Modell mit abwechselnd starken und schwachen Verknüpfungen besteht beim neuen Modell eine gleichmässige Verbindung.
«Dieser scheinbar kleine Unterschied führt zu fundamental anderen Eigenschaften.» Es gibt keinen Energielücken mehr zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand. «Beide Modelle wurden mit Nanographenen realisiert. Es handelt sich dabei um winzige Stückchen des zweidimensionalen Kohlenstoffmaterials Graphen.» Durch die präzise Steuerung dieser Stückchen können deren (quanten)-physikalischen Eigenschaften kontrolliert werden. «Das Ziel ist eine Materialplattform – eine Art «Quanten-Lego» – mit der sich verschiedene Quantenmodelle und -effekte experimentell untersuchen lassen.»
Quantentechnologien nutzbar machen
Für das alternierende Spinketten-Modell nutzten die Forschenden sogenannte «Clar’s Goblets» als Ausgangsmaterial, Sanduhr-förmige Nanographen-Moleküle, die aus elf Kohlenstoffringen bestehen. Für die homogene Heisenberg-Kette verwendeten sie ein anderes Nanographen: Das Olympicen, das aus fünf Ringen besteht und seinen Namen seiner Ähnlichkeit mit den olympischen Ringen verdankt.
Mit ihren Experimenten zeigten die Empa-Forscher, dass theoretische Modelle der Quantenphysik mit Nanographenen realisierbar und die Vorhersagen überprüfbar sind. Die Forschung geht weiter, denn das Nachbauen von Modellen aus Quantenphysiklehrbüchern hat durchaus auch einen praktischen Zweck. «Quantentechnologien versprechen Durchbrüche in der Kommunikation, der Rechenleistung, der Messtechnik und vieles mehr.»
Quantenzustände sind fragil und deren Effekte schwer fassbar. Die Herausforderungen sind dementsprechend gross. «Mit dem «Quanten-Lego» aus Nanographen hoffen die Empa-Forschenden, die Quanteneffekte besser zu verstehen und so den Weg zu nutzbaren Quantentechnologien zu ebnen.»
