量子物理新突破：百年理論終成現實

量子物理學迎來了一項重大突破！瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）的研究團隊首次成功利用合成奈米石墨烯，建構出一個長期以來僅存在於理論中的一維交替海森堡模型。這一成果不僅驗證了百年前的理論預測，更為未來的量子技術發展鋪平了道路，從超高速計算到無法破解的加密技術，皆可能因此受益。

2024年，Empa的研究人員與合作夥伴在量子物理領域取得了一項重要里程碑。他們利用合成材料成功打造出一維交替海森堡模型，這是一個描述自旋線性鏈的理論模型，對於理解量子磁性至關重要。在Empa奈米表面技術實驗室負責人Roman Fasel的帶領下，團隊更進一步，首次在實驗室環境中建構了相關的自旋鏈模型。

這兩個模型的關鍵差異在於自旋的連線方式。在交替海森堡模型中，自旋透過強弱交替的耦合模式相互作用；而在新版本中，自旋則均勻連線。這一微小調整導致了截然不同的行為：均勻鏈展現出強烈的量子糾纏和長程關聯，其基態與激發態之間沒有能量間隙；而交替模型則會產生能量間隙，自旋傾向於形成緊密結合的對，導致關聯性迅速下降。

透過建構這些奈米石墨烯自旋鏈，研究人員得以高精度驗證理論預測，這在實驗量子物理學中具有重要意義。他們的突破性發現已於2025年3月14日發表在《自然材料》期刊上。

這兩個模型均以奈米石墨烯為基礎實現。奈米石墨烯是二維碳材料石墨烯的微小片段，研究人員透過精確控制這些片段的形狀，能夠操縱其量子物理特性。他們的目標是開發一種材料平臺，類似於量子版的樂高積木，讓各種量子模型和效應得以進行實驗研究。

這兩項海森堡實驗正是這一方法的體現。在交替自旋鏈模型中，研究人員以所謂的「Clar酒杯」作為起始材料，這是一種由11個碳環組成的沙漏形奈米石墨烯分子；而在均勻海森堡鏈中，他們則使用了另一種奈米石墨烯——「奧林匹克烯」，其名稱源自其與奧運五環的相似外觀。

「我們第二次證明瞭量子物理的理論模型可以透過奈米石墨烯實現，讓其預測變得可實驗驗證，」Fasel表示。接下來，研究團隊計劃利用奈米石墨烯建立並研究亞鐵磁自旋鏈。在這些鏈中，磁矩以反平行方式排列，但並不完全抵消。此外，二維自旋晶格也引起了極大興趣，它們展現出比自旋鏈更豐富的相態，包括拓撲態、量子自旋液體和奇異的臨界現象，這使得它們無論在基礎研究還是實際應用中都顯得格外重要。

畢竟，重現量子物理教科書中的模型不僅僅是一項學術練習，更具有實際意義。量子技術有望在通訊、計算能力、測量技術等領域帶來突破性進展。然而，量子態極為脆弱，其效應難以掌握，這使得現實應用的研究充滿挑戰。Empa的研究人員希望透過他們的奈米石墨烯量子樂高，深入理解量子效應，從而為可用的量子技術鋪平道路。

參考文獻：Chenxiao Zhao等人，《基於奈米石墨烯的反鐵磁自旋-1/2海森堡鏈中的自旋激發》，《自然材料》，2025年3月14日。DOI: 10.1038/s41563-025-02166-1