Para peneliti dari Laboratorium Nanotech@Surfaces telah secara eksperimental menciptakan kembali model teoritis mendasar lainnya dari Quantum Physics, yang kembali ke pemenang Hadiah Nobel Werner Heisenberg. Dasar untuk percobaan yang sukses adalah sejenis “kuantum lego” yang terbuat dari molekul karbon kecil yang dikenal sebagai nanografi. Pendekatan bottom-up sintetis ini memungkinkan penelitian eksperimental serbaguna tentang teknologi kuantum, yang suatu hari nanti dapat membantu mendorong terobosan di lapangan.
Pada tahun 2024, para peneliti dan pasangannya berhasil untuk pertama kalinya menyadari apa yang disebut model Heisenberg bergantian satu dimensi dengan materi sintetis (tautan ke artikel). Model kuantum -fisik teoritis ini, yang dikenal selama hampir seabad, menggambarkan rantai linier putaran – sejenis magnet kuantum. Sekarang, para peneliti yang dipimpin oleh Roman Fasel, kepala Laboratorium Nanotech@EMPA, juga telah mampu merekonstruksi “saudara” model di lab.
Dalam model bergantian, putaran dihubungkan dalam pola kopling yang kuat dan lemah bergantian. Namun, dalam model baru, putarannya terhubung secara merata. Perbedaan yang tampaknya kecil ini menghasilkan sifat yang berbeda secara fundamental: putaran dalam rantai homogen sangat terjerat dan menunjukkan korelasi jarak jauh, tanpa kesenjangan energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi. Sebaliknya, rantai bergantian mengembangkan kesenjangan energi, dan putarannya cenderung membentuk ikatan berpasangan yang kuat, dengan korelasi berkurang dengan cepat (secara eksponensial). Para peneliti dapat secara tepat mengkonfirmasi prediksi fisika kuantum teoritis ini dalam rantai putaran nanografinya. Temuan yang sesuai baru saja diterbitkan dalam edisi terbaru bahan alam.
Kedua model direalisasikan dengan nanografen, fragmen kecil dari graphene bahan karbon dua dimensi. Dengan mengontrol bentuk fragmen -fragmen ini secara tepat, para peneliti dapat memanipulasi sifat fisik (kuantum) mereka. Tujuannya adalah untuk mengembangkan platform material – semacam “kuantum Lego” – yang memungkinkan berbagai model dan efek kuantum untuk dipelajari secara eksperimental.
Dua eksperimen Heisenberg menyoroti pendekatan ini. Untuk model rantai spin bergantian, para peneliti menggunakan apa yang disebut gelas Clar sebagai bahan awal mereka, molekul nanografen berbentuk jam pasir yang terdiri dari sebelas cincin karbon. Untuk rantai Heisenberg yang homogen, mereka menggunakan nanographene yang berbeda: Olympicene, yang terdiri dari lima cincin dan berutang namanya dengan kemiripannya dengan cincin Olimpiade.
“Kami sekarang telah menunjukkan untuk kedua kalinya bahwa model teoritis fisika kuantum dapat diwujudkan dengan nanografi, membuat prediksi mereka dapat diuji secara eksperimental,” kata Fasel. Selanjutnya, para peneliti berencana untuk menggunakan nanografi mereka untuk membuat dan menyelidiki rantai putaran ferrimagnetik. Dalam rantai ini, momen -momen magnetik sejajar dengan cara antiparalel tetapi tidak sepenuhnya membatalkan. Yang juga sangat menarik adalah kisi putaran dua dimensi, yang menunjukkan variasi fase yang jauh lebih besar daripada rantai spin, termasuk keadaan topologi, cairan spin kuantum, dan fenomena kritis eksotis. Ini membuat mereka sangat menarik, baik untuk penelitian mendasar dan untuk aplikasi praktis.
Lagi pula, menciptakan kembali model dari buku teks fisika kuantum bukan hanya latihan akademik – ini juga memiliki tujuan praktis. Quantum Technologies menjanjikan terobosan dalam komunikasi, daya komputasi, teknologi pengukuran dan banyak lagi. Namun, keadaan kuantum rapuh, dan efeknya sulit dipahami, membuat penelitian ke dalam aplikasi dunia nyata sangat menantang. Dengan “kuantum Lego” nanographene mereka, para peneliti berharap untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang efek kuantum dan dengan demikian membuka jalan bagi teknologi kuantum yang dapat digunakan.
