Ученые воссоздали теоретическую модель квантовой физики на графеновом «Лего»
Мультидисциплинарная команда европейских исследователей нашла способ проверить теорию квантовой физики, описывающую многосоставную спиновую систему. Ученые создали платформу для экспериментального изучения квантовых законов и создания квантовых устройств на основе спина.
Самая маленькая единица информации в компьютере — бит — может находиться в состоянии «включено» или «выключено», то есть представлять один или ноль. Квантовые компьютеры имеют собственную версию бита — кубит. Он также имеет два основных состояния, однако квантовые эффекты позволяют находиться в суперпозиции этих состояний. Значит, кубит может одновременно представлять и единицу, и ноль в различных пропорциях, что теоретически позволяет ему принимать бесконечное количество состояний.
Одним из способов кодирования состояний «0» и «1» в кубите сделали ориентацию спина электрона. Спин — фундаментальное квантово-механическое свойство частиц, которое можно представить как некое вращение, направленное «вверх» (соответствует единице) или «вниз» (ноль).
При квантово-механическом взаимодействии спины начинают влиять на состояния друг друга: измените ориентацию одного — и она изменится у всех связанных спинов. Это способ «общения» кубитов между собой. Его можно описать математически, но даже для относительно простых цепочек из нескольких спинов точное решение необходимой для описания системы уравнений практически невозможно.
Европейские исследователи применили «квантовый конструктор» для демонстрации известной теоретической модели квантовой физики. Сотрудники лаборатории Empa nanotech@surfaces (Швейцария) разработали метод, позволяющий контролировать «общение» многих спинов, а также «прослушивать» их взаимодействия. Вместе с учеными из Международной лаборатории нанотехнологий Иберии (Португалия) и Технического университета Дрездена (Германия) удалось создать модель цепочки электронных спинов на графене и детально измерить ее свойства.
Базовая теория спинового взаимодействия проста: в цепи спинов каждый спин сильно взаимодействует с одним из соседей и слабо — с другим. Это одномерная чередующаяся модель Гейзенберга. В природе существуют материалы со спиновыми цепями, но их до сих пор не удавалось целенаправленно встроить в материал.
Для создания искусственного квантового материала ученые использовали маленькие фрагменты графена, состоящие менее чем из 50 атомов углерода каждая. Для выбранных нанографеновых молекул форма сильно влияет на физические свойства, в особенности на их спин. Каждый фрагмент выступал как своего рода наноразмерная квантовая «деталь Лего», из таких деталей ученые смогли собрать длинные цепочки.
Для своей реализации модели Гейзенберга исследователи взяли молекулу, называемую «чаша Клара». Она состоит из 11 углеродных колец, расположенных в форме песочных часов. Благодаря этой форме на каждом конце находится неспаренный электрон со своим спином. Хотя химик Эрих Клар предсказал существование такой молекулы еще в 1972 году, синтезировали ее только в 2019-м в команде Романа Фазеля (Roman Fasel) в лаборатории Empa nanotech@surfaces.
Исследователи соединили графеновые «чаши Клара» в цепочки на поверхности золота. Два спина на концах каждой молекулы связаны друг с другом слабо, в то время как спины, принадлежащие разным молекулам, связаны сильно — это идеальная реализация чередующейся гейзенберговской цепочки.
В итоге ученые смогли точно управлять длиной цепочек, выборочно включать и выключать отдельные спины и менять их состояние. Это позволило детально изучить физику нового квантового материала с помощью созданной платформы.
«Мы показали, что теоретические модели квантовой физики могут быть реализованы с помощью нанографена для экспериментальной проверки их предсказаний», — утверждает Фазель.
Научная работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Telegram 
Дзен 
VK В шаровых звездных скоплениях должно быть немало небольших черных дыр, но астрономам редко удается их обнаружить. И вот ученые нашли первую черную дыру звездной массы в огромном скоплении Омега Центавра. Объект оказался менее массивным, чем ожидали специалисты, зато с огромным орбитальным периодом.
Долгие годы ультразвуковое исследование (УЗИ) было единственным методом медицинской визуализации в космосе. Однако в 2025 году экипаж коммерческой орбитальной миссии впервые получил диагностические рентгеновские снимки.
Квантовая природа самого пространства могла сделать Вселенную ровной и однородной сразу после ее рождения. К такому выводу физики пришли, изучив одну из современных моделей квантовой гравитации. Выяснилось, что в ней различия в расширении пространства по разным направлениям — так называемые анизотропии — сглаживаются сами собой, без специальных условий. Если выводы ученых верны, это поможет решить одну из главных загадок современной космологии: как ранняя, крайне неоднородная Вселенная стала настолько гладкой, какой мы наблюдаем ее сегодня?
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии