14.10.2021

Quanten-Spinketten aus Kohlenstoff

Beweis für eines der wichtigsten Modelle des Quantenmagnetismus.

Unter der Leitung des Materialforschungs­instituts Empa in der Schweiz und des International Iberian Nano­technology Laboratory gelang es einem inter­nationalen Forscherteam erstmals, Quanten-Spin­ketten aus Kohlenstoff zu bauen. Mittels Rastertunnel­mikroskopie lieferten sie experimentelle Beweise für eines der wichtigsten Modelle des Quantenmagnetismus: die Haldane-Phase, erstmals 1983 vorhergesagt von F.D.M. Haldane, einem der drei Träger des Physik-Nobelpreises 2016. Die Ergebnisse könnten zu einem besseren Verständnis des Quanten-Mag­netismus führen und einen Beitrag zum aufstrebenden Gebiet des Quantum Computing leisten.

Abb.: Illustration einer Triangulen-Quanten­spinkette, die auf einer...
Abb.: Illustration einer Triangulen-Quanten­spinkette, die auf einer Goldoberfläche mit der scharfen Spitze eines Rastertunnel­mikroskops untersucht wird. (Bild: Empa)

In den 1980er Jahren sagte F.D.M. Haldane voraus, dass eine Kette von aneinander­gereihten Spin-1-Bausteinen „fraktioniert“ sein sollte, so dass sich die letzten Einheiten der Kette wie Spin-½-Objekte verhalten. Ähnlich wie ein Zauberer, der eine Person in zwei Hälften sägt und sie dann auseinander­schiebt, teilen also Quanten­korrelationen in der Kette einen Spin 1 in zwei Spin-½-Einheiten. Diese Vorhersage im Labor zu testen, war aus verschiedenen Gründen schwierig, vor allem, weil herkömm­liche Materialien nicht eindimensional sind. Indirekte Beweise für die Spin­fraktionierung wurden zwar in Kristallen aus metall­organischen Verbindungen gefunden, die solche Spin-Ketten enthalten, aber eine direkte Beobachtung des Phänomens war nicht möglich.

Nun hat das inter­nationale Forscherteam einen bemerkens­werten Weg gefunden, den Beweis für Haldanes fast vierzig Jahre alte Theorie zu erbringen. Mittels einer Kombination organischer Chemie und Oberflächen­chemie im Ultra­hochvakuum hat das Team eindimensionale Spin-Ketten aus Kohlenstoff fabriziert. Als Baustein diente ein dreieckiges aromatisches Kohlenwasser­stoffmolekül mit Spin 1 – Triangulen. Die Triangulen-Moleküle wurden im Ultrahoch­vakuum erhitzt und verbinden sich so zu ausgedehnten Molekülketten. Mit Hilfe eines Rastertunnel­mikroskops untersuchte das Team um Roman Fasel, Pascal Ruffieux und Shantanu Mishra dann die magnetischen Anregungen dieser Ketten auf einer Goldoberfläche. Sie beobach­teten, dass die jeweils äußersten Kettenglieder der Triangulen-Ketten ;Kondo-Resonanzen aufwiesen – ein charakteristischer spektro­skopischer Fingerabdruck von Spin-½-Quantenobjekten in Kontakt mit einer Metall­oberfläche.

Die Forscher sind überzeugt, dass leicht und direkt zugängliche molekulare Spinsysteme mit stark korrelierten Elektronen eine fruchtbare experimentelle Umgebung für die Entwicklung und Überprüfung neuer theoretischer Konzepte bieten werden. Nebst der Erforschung linearer Spinketten haben die Wissen­schaftler vor allem auch zwei­dimensionale Netzwerke von Quanten­magneten im Fokus. Solche Spin-Netzwerke sind eine vielversprechende Material­plattform für das Quantum Computing.

Empa / JOL

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