Fundamenteel kwantummodel opnieuw gemaakt op basis van nanografenen

De kleinste informatie-eenheid in een computer is de bit: aan of uit, 1 of 0. Tegenwoordig is de volledige rekenkracht van de wereld gebouwd op de combinatie en onderlinge verbinding van talloze enen en nullen. Kwantumcomputers hebben hun eigen versie van de bit: de qubit. Het heeft ook twee fundamentele toestanden. Het belangrijkste verschil: kwantumeffecten maken een superpositie van de twee toestanden mogelijk, zodat de qubit niet 1 of 0 is, maar beide tegelijk. Met verschillende verhoudingen van 0 en 1 kan de qubit theoretisch een oneindig aantal toestanden aannemen.

Deze dubbelzinnigheid zou kwantumcomputers echte ‘superkrachten’ moeten geven. In theorie kunnen kwantumcomputers in fracties van een seconde berekeningen uitvoeren die de beste supercomputers van vandaag de dag achterwege laten. Quantum computing is echter nog niet volledig ontwikkeld. Een van de grootste uitdagingen is het koppelen van de qubits, aangezien één enkele (qu)bit niet echt een computer is.

Eén manier om de 0 en de 1 van de qubit te realiseren is via de uitlijning van de zogenaamde elektronenspin. De spin is een fundamentele kwantummechanische eigenschap van elektronen en andere deeltjes, een soort koppel dat, simpel gezegd, “omhoog” (1) of “omlaag” (0) kan wijzen.

Wanneer twee of meer spins kwantummechanisch met elkaar verbonden zijn, beïnvloeden ze elkaars toestanden: verander de oriëntatie van één, en deze zal ook voor alle anderen veranderen. Dit is dus een goede manier om qubits met elkaar te laten ‘praten’. Maar zoals zoveel in de kwantumfysica is deze ’taal’, dat wil zeggen de interactie tussen de spins, enorm complex.

Hoewel het wiskundig kan worden beschreven, kunnen de relevante vergelijkingen nauwelijks exact worden opgelost, zelfs niet voor relatief eenvoudige ketens van slechts een paar spins. Niet bepaald de beste omstandigheden om de theorie in de praktijk te brengen…

Een model wordt werkelijkheid

Onderzoekers van het nanotech@surfaces-laboratorium van Empa hebben nu een methode ontwikkeld waarmee veel spins op een gecontroleerde manier met elkaar kunnen ‘praten’ – en waardoor de onderzoekers ook naar hen kunnen ‘luisteren’, dat wil zeggen hun interacties kunnen begrijpen.

Samen met wetenschappers van het International Iberian Nanotechnology Laboratory en de Technische Universiteit van Dresden konden ze nauwkeurig een archetypische keten van elektronenspins creëren en de eigenschappen ervan tot in detail meten. Hun resultaten zijn nu bekend gepubliceerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

De theorie achter de keten is bekend bij alle natuurkundestudenten: neem een ​​lineaire keten van spins waarin elke spin sterk interageert met een van zijn buren en zwak met de ander. Dit zogenaamde eendimensionale alternerende Heisenberg-model werd bijna 100 jaar geleden beschreven door natuurkundige en latere Nobelprijswinnaar Werner Heisenberg, een van de grondleggers van de kwantummechanica. Hoewel er in de natuur materialen bestaan ​​die dergelijke spinketens bevatten, is het nog niet mogelijk gebleken om de ketens bewust in een materiaal te verwerken.

“Echte materialen zijn altijd veel complexer dan een theoretisch model”, legt Roman Fasel uit, hoofd van Empa’s nanotech@surfaces-laboratorium en co-auteur van het onderzoek.

Een ‘beker’ gemaakt van koolstof

Om zo’n kunstmatig kwantummateriaal te maken, gebruikten de Empa-onderzoekers kleine stukjes van het tweedimensionale koolstofmateriaal grafeen. De vorm van deze nanografeenmoleculen beïnvloedt hun fysieke eigenschappen, in het bijzonder hun spin – een soort kwantum-legoblokje van nanoformaat waaruit de wetenschappers langere ketens kunnen samenstellen.

Voor hun Heisenberg-model gebruikten de onderzoekers het zogenaamde Clar’s Goblet-molecuul. Dit bijzondere nanografeenmolecuul bestaat uit elf koolstofringen die in een zandlopervorm zijn gerangschikt. Vanwege deze vorm bevindt zich aan elk uiteinde een ongepaard elektron, elk met een bijbehorende spin. Hoewel al in 1972 voorspeld door chemicus Erich Clar, werd Clar’s Goblet pas in 2019 geproduceerd door het team van Fasel in het nanotech@surfaces-laboratorium.

De onderzoekers hebben de bekers nu op een gouden oppervlak met elkaar verbonden om kettingen te vormen. De twee spins binnen een molecuul zijn zwak met elkaar verbonden, terwijl de spins van molecuul tot molecuul sterk met elkaar verbonden zijn – een perfecte realisatie van de afwisselende Heisenberg-keten. De onderzoekers waren in staat om de lengte van de ketens nauwkeurig te manipuleren, individuele spins selectief aan en uit te zetten en ze van de ene toestand naar de andere te ‘draaien’, waardoor ze de complexe fysica van dit nieuwe kwantummateriaal tot in detail konden onderzoeken.

Van theorie naar praktijk

Fasel is ervan overtuigd dat, net zoals de synthese van Clar’s Goblet de productie van Heisenberg-ketens mogelijk maakte, deze studie op zijn beurt nieuwe deuren zal openen in het kwantumonderzoek.

“We hebben aangetoond dat theoretische modellen van de kwantumfysica kunnen worden gerealiseerd met nanografenen om hun voorspellingen experimenteel te testen”, zegt de onderzoeker. “Nanografenen met andere spinconfiguraties kunnen worden gekoppeld om andere soorten ketens of zelfs complexere systemen te vormen.”

De Empa-onderzoekers geven het goede voorbeeld: in een tweede onderzoek, dat binnenkort wordt gepubliceerd, zijn ze erin geslaagd een ander type Heisenberg-keten na te bootsen waarin alle spins gelijkelijk met elkaar verbonden zijn.

Om voorop te lopen in de toegepaste kwantumfysica moeten theoretische en experimentele wetenschappers uit verschillende disciplines samenwerken. Chemici van de Technische Universiteit van Dresden voorzagen Empa-onderzoekers van de uitgangsmoleculen voor hun synthese van Clar’s Goblets. En onderzoekers van het International Iberian Nanotechnology Laboratory in Portugal hebben hun theoretische expertise aan het project bijgedragen.

De theorie die nodig is voor dergelijke doorbraken is niet (alleen) wat je in natuurkundeboeken aantreft, benadrukt Fasel, maar een geavanceerde overdracht tussen het kwantumfysica-model en de experimentele metingen.