Una cassetta degli attrezzi per la ricerca quantistica

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.