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 Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Нуклеосомы — основные «катушки» упаковки ДНК — почти всегда находятся в искаженном состоянии, а не в аккуратной и стабильной форме, как считалось десятилетиями. Именно через такие микроскопические изменения, как выяснили ученые, клетка регулирует работу генов — а значит, управляет развитием, реакцией на внешние раздражители и даже возникновением болезней.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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