Uma caixa de ferramentas para a investigação quântica
Modelo de spin quântico feito de moléculas de nanografeno
Investigadores da Empa do laboratório "nanotech@surfaces" recriaram experimentalmente outro modelo teórico fundamental da física quântica, que remonta ao Prémio Nobel da Física Werner Heisenberg. A base da experiência bem sucedida foi uma espécie de "lego quântico" feito de minúsculas moléculas de carbono, os chamados nanografenos. Este método sintético "de baixo para cima" permite uma investigação experimental versátil sobre as tecnologias quânticas, que poderá um dia ajudar a alcançar um avanço.
Peças moleculares de Lego: Para a cadeia homogénea de Heisenberg, os investigadores utilizaram a molécula de nanografeno Olympicen, que é constituída por cinco anéis de carbono.
Empa
Em 2024, os investigadores da Empa e os seus parceiros conseguiram, pela primeira vez, recriar com exatidão o chamado modelo unidimensional de Heisenberg alternado num material sintético. Este modelo teórico de física quântica, que é conhecido há quase 100 anos, descreve uma concatenação linear de spins - uma espécie de magnetismo quântico. Agora, os investigadores liderados por Roman Fasel, diretor do laboratório "nanotech@surfaces" da Empa, conseguiram também reconstruir o "modelo irmão" em laboratório.
Enquanto no modelo alternado os spins estavam alternadamente ligados de forma forte e fraca, no novo modelo estão ligados de forma homogénea. Esta diferença, aparentemente pequena, conduz a propriedades fundamentalmente diferentes: Os spins da cadeia homogénea estão fortemente emaranhados e correlacionados a longa distância, e não existe um intervalo de energia entre o estado fundamental e os estados excitados. A cadeia alternada, por outro lado, desenvolve um hiato de energia e os seus spins formam preferencialmente fortes ligações de pares, com as correlações a diminuírem rapidamente (exponencialmente). Os investigadores conseguiram confirmar com precisão estas previsões da física quântica teórica nas suas cadeias de spin de nanografeno. Os resultados correspondentes acabam de ser publicados na edição atual da revista "Nature Materials".
Ambos os modelos foram realizados com nanografenos. Trata-se de pequenos pedaços de grafeno, um material bidimensional de carbono. Ao controlar com precisão a forma destas peças, os investigadores podem controlar as suas propriedades físicas (quânticas). O objetivo é criar uma plataforma material - uma espécie de "Lego quântico" - com a qual se possam investigar experimentalmente vários modelos e efeitos quânticos.
Tornar as tecnologias quânticas utilizáveis
As duas experiências de Heisenberg ilustram este facto: para o modelo de cadeia de spin alternada, os investigadores utilizaram como material de partida as chamadas "taças de Clar", moléculas de nanografeno em forma de ampulheta constituídas por onze anéis de carbono. Para a cadeia homogénea de Heisenberg, utilizaram um nanografeno diferente: Olympicene, que consiste em cinco anéis e deve o seu nome à sua semelhança com os anéis olímpicos.
"Mostrámos agora, pela segunda vez, que os modelos teóricos da física quântica podem ser realizados com nanografenos e que as suas previsões podem, portanto, ser testadas experimentalmente", afirma Roman Fasel. A seguir, os investigadores pretendem utilizar os seus nanografenos para produzir e investigar cadeias de spin ferrimagnéticas; embora os momentos magnéticos nestas cadeias se alinhem de forma antiparalela, não se anulam completamente. As redes de spin bidimensionais são também de grande interesse, pois apresentam uma variedade muito maior de fases do que as cadeias de spin, incluindo estados topológicos, líquidos de spin quânticos e fenómenos críticos exóticos. Este facto torna-as particularmente interessantes, tanto para a investigação fundamental como para aplicações práticas.
Afinal de contas, a recriação de modelos dos manuais de física quântica também tem um objetivo prático. As tecnologias quânticas prometem avanços na comunicação, na capacidade de computação, na tecnologia de medição e muito mais. No entanto, os estados quânticos são frágeis e os seus efeitos são difíceis de compreender. A investigação de aplicações na vida real é, por conseguinte, um desafio. Com o "lego quântico" feito de nanografenos, os investigadores da Empa esperam obter uma melhor compreensão dos efeitos quânticos e, assim, abrir caminho para tecnologias quânticas utilizáveis.
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Publicação original
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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