Впервые международной команде учёных удалось воспроизвести антиферромагнитную (AF) спиновую модель Гейзенберга с полуцелым значением спина (½), использовав искусственно созданные наномолекулярные цепочки из «олимпицена» — структур, напоминающих о символике Олимпийских игр. Это исследование выводит нанографены (NGs) в ранг идеальной платформы для изучения запутанных квантовых спиновых систем и открывает новые горизонты для антиферромагнитной спинтроники.
Одномерные квантовые магнетики известны своей способностью к сильным квантовым флуктуациям, которые предотвращают спонтанное нарушение симметрии и ведут к формированию квантово-неупорядоченных состояний, таких как резонансные валентные связи. В случае цепочек с полуцелым спином, в термодинамическом пределе (L→∞) предсказывается наличие бесщелевого спектра возбуждений, где элементарные возбуждения представлены двумя дробными спинонами (спин -½) с характерной энерго-импульсной зависимостью.
Тем не менее, в ограниченных по длине цепочках присутствие эффектов конфайнмента создает энергетическую щель, которая исчезает по мере увеличения их длины.
Долгое время экспериментальное воплощение изотропной модели Гейзенберга для спина -½ было труднодостижимо из-за сложности управления спиновыми цепочками. Однако учёные из Института микроструктур Макса Планка (Галле), Технического университета Дрездена, Международной Иберийской нанолаборатории (INL) и Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения (EMPA) успешно преодолели эти барьеры, синтезировав ковалентно связанные цепочки из нанографенов с открытой структурой («олимпицены») на поверхности Au(111).
С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследователи манипулировали спиновыми параметрами отдельных элементов цепи, добиваясь идеального контроля над её длиной — от димеров до цепей, состоящих из 50 элементов. Для проведения анализа спиновых возбуждений использовалась спектроскопия неупругого туннельного электрона (IETS), усиленная расчётами методами квантовой химии. Обменное взаимодействие в системе достигло значительных 38 мэВ, а затухание спиновых возбуждений по степенному закону с увеличением длины цепи подтвердило наличие квазидальнодействующих спиновых корреляций — фундаментальной характеристики бесщелевой одномерной спиновой жидкости.
В цепочках с нечётным числом звеньев основное состояние представлено волновым пакетом односпинонного состояния, амплитудная модуляция которого вдоль цепи отражается в виде нулевой проводимости в IETS-спектрах. Наиболее длинные цепочки (50 единиц) показали V-образные спектры возбуждений, указывающие на закрытие щели в пределе L→∞.
Эта работа не только подтвердила на практике теоретические предсказания квантовой физики, но и открыла перспективы создания спиновых устройств на базе нанографенов. По мнению авторов, предложенный подход позволяет проектировать молекулы для реализации других квантовых моделей — в ближайшем будущем ожидается публикация исследования, посвящённого экспериментальной реализации ещё одной модификации модели Гейзенберга с использованием NGs. Эти достижения приближают нас к эпохе квантовых технологий, где управление спиновыми состояниями станет основой для новых вычислительных и энергоэффективных материалов.
Источник: iXBT
