湖南
近日，量子物理學領域迎來一則令人振奮的消息：百年前的量子理論從紙面上的構想走進了現實世界！瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）的研究人員取得了一項重大成果，他們首次成功利用合成納米石墨烯構建出了一個長期存在于理論中的一維交替海森堡模型。
海森堡模型是理解量子磁性的關鍵理論，其中自旋的相互作用模式尤為重要。此次研究涉及到兩種海森堡模型：交替海森堡模型和均勻海森堡鏈模型。二者的區別在于自旋的連接方式：交替海森堡模型里，自旋通過強弱交替的耦合模式相互作用；而在均勻海森堡鏈中，自旋的連接更為均勻。這種看似細微的差異，卻導致了兩種模型截然不同的特性。均勻海森堡鏈展現出強烈的量子糾纏和長程相關性，其基態和激發態之間沒有能隙；交替海森堡模型則出現了能隙，自旋傾向于形成緊密的配對，使得相關性迅速減弱 。
為了構建這些模型，研究人員選用了納米石墨烯。納米石墨烯是二維碳材料石墨烯的微小片段，通過精確控制這些片段的形狀，就能調控其量子物理特性。在構建交替自旋鏈模型時，研究人員使用了由十一個碳環組成、形似沙漏的“克拉杯”納米石墨烯分子；構建均勻海森堡鏈時，則采用了由五個碳環組成、因外形酷似奧運五環而得名的“奧運烯”納米石墨烯分子。
研究團隊在實驗室中成功構建這兩種模型，高精度地證實了理論預測，這一成果標志著實驗量子物理學邁出了重要一步。相關研究成果已于3月14日發表在《自然材料》雜志上。
該研究的意義不止于理論驗證。如今，量子技術在通信、計算、測量等眾多領域展現出巨大的應用潛力，但量子態非常脆弱，研究其實際應用面臨諸多困難。此次Empa研究人員借助納米石墨烯搭建的“量子樂高”平臺，能夠更深入地研究量子效應，為未來實用化量子技術的發展奠定了基礎。未來，研究團隊還計劃利用納米石墨烯創建并研究亞鐵磁自旋鏈，以及具有更多奇特相態的二維自旋晶格，進一步探索量子世界的奧秘。
參考資料：DOI： 10.1038/s41563-025-02166-1
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