Una cassetta degli attrezzi per la ricerca quantistica
Modello di spin quantistico realizzato con molecole di nanografene
I ricercatori dell'Empa del laboratorio "nanotech@surfaces" hanno ricreato sperimentalmente un altro modello teorico fondamentale della fisica quantistica, che risale al premio Nobel per la fisica Werner Heisenberg. La base per il riuscito esperimento è stata una sorta di "lego quantistico" fatto di minuscole molecole di carbonio, i cosiddetti nanographenes. Questo metodo sintetico "dal basso verso l'alto" consente una ricerca sperimentale versatile sulle tecnologie quantistiche, che un giorno potrebbero essere in grado di raggiungere una svolta.
Mattoncini Lego molecolari: Per la catena omogenea di Heisenberg, i ricercatori hanno utilizzato la molecola nanografica Olympicen, composta da cinque anelli di carbonio.
Empa
Nel 2024, i ricercatori dell'Empa e i loro partner sono riusciti per la prima volta a ricreare esattamente il cosiddetto modello di Heisenberg alternato unidimensionale in un materiale sintetico. Questo modello teorico di fisica quantistica, noto da quasi 100 anni, descrive una concatenazione lineare di spin - una sorta di magnetismo quantistico. Ora i ricercatori guidati da Roman Fasel, responsabile del laboratorio "nanotech@surfaces" dell'Empa, sono riusciti a ricostruire anche il "modello gemello" in laboratorio.
Mentre nel modello alternato gli spin erano legati alternativamente in modo forte e debole, nel nuovo modello sono legati in modo uniforme. Questa apparentemente piccola differenza porta a proprietà fondamentalmente diverse: Gli spin della catena omogenea sono fortemente entangled e correlati a lungo raggio, e non c'è gap energetico tra lo stato fondamentale e gli stati eccitati. La catena alternata, invece, sviluppa un gap energetico e i suoi spin formano preferenzialmente forti legami di coppia, con correlazioni che diminuiscono rapidamente (esponenzialmente). I ricercatori sono riusciti a confermare con precisione queste previsioni della fisica quantistica teorica nelle loro catene di spin di nanografene. I relativi risultati sono stati appena pubblicati nell'attuale numero della rivista "Nature Materials".
Entrambi i modelli sono stati realizzati con i nanogrammi. Si tratta di minuscoli pezzi del materiale bidimensionale del carbonio, il grafene. Controllando con precisione la forma di questi pezzi, i ricercatori possono controllare le loro proprietà fisiche (quantistiche). L'obiettivo è creare una piattaforma materiale - una sorta di "Lego quantistico" - con cui studiare sperimentalmente vari modelli ed effetti quantistici.
Rendere utilizzabili le tecnologie quantistiche
I due esperimenti di Heisenberg lo dimostrano: per il modello della catena di spin alternata, i ricercatori hanno utilizzato come materiale di partenza i cosiddetti "calici di Clar", molecole di nanografene a forma di clessidra composte da undici anelli di carbonio. Per la catena omogenea di Heisenberg hanno utilizzato un altro nanografo: L'Olympicene, che consiste in cinque anelli e deve il suo nome alla somiglianza con gli anelli olimpici.
"Abbiamo dimostrato per la seconda volta che i modelli teorici della fisica quantistica possono essere realizzati con i nanogrammi e che le loro previsioni possono essere verificate sperimentalmente", afferma Roman Fasel. In seguito, i ricercatori intendono utilizzare i nanogrammi per produrre e studiare catene di spin ferrimagnetiche; sebbene i momenti magnetici in queste catene si allineino in modo antiparallelo, non si annullano completamente. Anche i reticoli di spin bidimensionali sono di grande interesse, in quanto presentano una varietà di fasi molto maggiore rispetto alle catene di spin, tra cui stati topologici, liquidi di spin quantistici e fenomeni critici esotici. Questo li rende particolarmente interessanti, sia per la ricerca di base che per le applicazioni pratiche.
Dopo tutto, anche ricreare i modelli dei libri di testo di fisica quantistica ha uno scopo pratico. Le tecnologie quantistiche promettono progressi nelle comunicazioni, nella potenza di calcolo, nella tecnologia di misurazione e molto altro ancora. Tuttavia, gli stati quantici sono fragili e i loro effetti sono difficili da comprendere. La ricerca di applicazioni reali è di conseguenza impegnativa. Con il "lego quantistico" fatto di nanogrammi, i ricercatori dell'Empa sperano di ottenere una migliore comprensione degli effetti quantistici e di aprire così la strada a tecnologie quantistiche utilizzabili.
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Pubblicazione originale
Chenxiao Zhao, Lin Yang, João C. G. Henriques, Mar Ferri-Cortés, Gonçalo Catarina, Carlo A. Pignedoli, Ji Ma, Xinliang Feng, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains"; Nature Materials, 2025-3-14
Chenxiao Zhao, Gonçalo Catarina, Jin-Jiang Zhang, João C. G. Henriques, Lin Yang, Ji Ma, Xinliang Feng, Oliver Gröning, Pascal Ruffieux, Joaquín Fernández-Rossier, Roman Fasel; "Tunable topological phases in nanographene-based spin-1/2 alternating-exchange Heisenberg chains"; Nature Nanotechnology, Volume 19, 2024-10-28
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