Empa-Team gelingt Durchbruch in Quantenforschung

Forschenden der Empa ist es gelungen ein Modell der Quantenmechanik nachzubauen, das der spätere Nobelpreisträger Werner Heisenberg vor fast 100 Jahren theoretisch begründet hat. Damit wurde das nach ihm benannte alternierende Heisenberg-Modell zum ersten Mal in der Geschichte der Quantenphysik in der physischen Welt real. Gelungen ist dieser Durchbruch laut einem Bericht der Empa mithilfe winziger Stückchen des zweidimensionalen Kohlenstoffmaterials Graphen.

Für die erstmalige Herstellung dieses künstlichen Quantenmaterials nutzte das Team des in Dübendorf anässigen nanotech@surfaces Laboratory der Empa sogenannte Clar's Goblets. Obwohl dieses Nanographen-Molekül bereits 1972 vom Chemiker Erich Clar vorhergesagt worden war, konnte es erst 2019 durch Forschende desselben Empa-Labors erstmals hergestellt werden.

Mit diesen Goblets gelang die gewünschte alternierende Ausrichtung der sogenannten Elektronenspins. Der Spin ist eine grundlegende quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen und anderen Teilchen, ein Eigendrehimpuls, der nach oben oder nach unten zeigen kann. Über die Ausrichtung dieser Spins liesse sich die 1 und die 0 des Qubits realisieren, der kleinsten Einheit eines Quantencomputers.

Mit dem Nachbau der Heisenberg-Kette, bei der die Goblets auf einer Goldoberfläche wie Legosteine miteinander verknüpft wurden, hat es das Team geschafft, viele Spins kontrolliert miteinander wechselwirken zu lassen und diese Wechselwirkungen auch nachzuvollziehen. „Wir haben gezeigt, dass sich theoretische Modelle der Quantenphysik mit Nanographenen realisieren lassen und ihre Vorhersagen somit experimentell überprüfbar sind“, wird Laborleiter Roman Fasel zitiert.

Als Projektpartner haben Chemiker der Technischen Universität Dresden dem Empa-Team die Ausgangsmoleküle für ihre Synthese von Clar's Goblets zur Verfügung gestellt. Und Forschende des portugiesischen International Iberian Nanotechnology Laboratory brachten ihre theoretische Expertise ein. Ihre gemeinsame Studie wurde am 28. Oktober 2024 im Fachblatt „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht. ce/mm