Physiker spielen Quanten-Lego mit einem Heisenberg-Modell
14. März 2025
Forschende der Empa haben ein weiteres grundlegendes Modell der Quantenphysik experimentell nachgebaut. Mithilfe von Nanographenen gelang es, eine Variante des Heisenberg-Modells zu realisieren, das quantenmagnetische Wechselwirkungen beschreibt. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung künftiger Quantentechnologien.
Inhaltsverzeichnis
Das Heisenberg-Modell: Einblicke in Quantenmagnetismus
Vor fast 100 Jahren entwickelte der Physik-Nobelpreisträger Werner Heisenberg ein Modell zur Beschreibung von Quantenmagnetismus. Es beschreibt, wie sogenannte Spins, die magnetischen Momente von Teilchen, miteinander interagieren. Bisher war das Modell vor allem theoretischer Natur. Nun ist es Forschenden der Empa gelungen, es experimentell nachzubilden und die theoretischen Vorhersagen zu bestätigen.
| Das ist Werner Heisenberg |
| Werner Heisenberg war einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts und revolutionierte die moderne Physik, insbesondere durch seine Beiträge zur Quantenmechanik. Das sind seine wichtigsten Errungenschaften: |
| Begründung der Quantenmechanik: Heisenberg entwickelte gemeinsam mit Niels Bohr, Max Born und Pascual Jordan die mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik. Eine seiner zentralen Entdeckungen war die Unschärferelation, die besagt, dass bestimmte physikalische Größen, wie Ort und Impuls eines Teilchens, nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden können. Damit stellte er die klassischen Vorstellungen der Physik grundlegend infrage. |
| Nobelpreis für Physik (1933): Für seine Arbeiten zur Quantenmechanik der Festkörper erhielt Heisenberg den Nobelpreis und verhalf der Universität Leipzig zu internationalem Renommee als Zentrum der modernen Atomphysik. |
| Leitung des deutschen Uranprojekts: Während des Zweiten Weltkriegs untersuchte er als Leiter des Uranprojekts die Möglichkeiten der Kernspaltung. Seine Rolle und seine moralische Haltung in dieser Zeit bleiben bis heute umstritten. |
| Wiederaufbau der deutschen Wissenschaft: Nach dem Krieg war Heisenberg eine zentrale Figur beim Wiederaufbau der deutschen Wissenschaftslandschaft. Er leitete ab 1946 das Max-Planck-Institut für Physik in Göttingen und später in München. Als Präsident des Deutschen Forschungsrates (1949–1951) sowie der Alexander von Humboldt-Stiftung (1953–1975) setzte er sich stark für die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ein. |
Nanographene als „Quanten-Lego“
Um das Modell in die Praxis umzusetzen, nutzten die Forschenden winzige Kohlenstoffstrukturen, sogenannte Nanographene. Diese speziellen Moleküle bieten die Möglichkeit, quantenphysikalische Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. Die Methode basiert auf einem „bottom-up“-Ansatz, bei dem die Materialien gezielt synthetisiert werden, um bestimmte physikalische Eigenschaften zu erhalten.
Bereits 2024 gelang es der Forschungsgruppe, eine Variante des Heisenberg-Modells zu rekonstruieren: das eindimensionale alternierende Modell. In dieser Struktur sind die Spins abwechselnd stark und schwach gekoppelt, wodurch sich charakteristische physikalische Eigenschaften ergeben. Nun folgte der nächste Schritt: Die Forschenden bildeten auch das homogene Heisenberg-Modell nach.
Unterschiede zwischen alternierendem und homogenem Heisenberg-Modell
Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Varianten liegt in der Art der Kopplung. Beim alternierenden Modell gibt es eine Energie-Lücke zwischen dem Grundzustand und angeregten Zuständen. Beim homogenen Modell existiert diese Lücke nicht, und die Spins sind stark miteinander verschränkt. Diese fundamentalen Unterschiede konnten die Forschenden nun durch Experimente mit Nanographenen bestätigen.
Die Spinketten wurden aus speziell entworfenen Nanographen-Molekülen hergestellt. Für das alternierende Modell nutzten die Forschenden sogenannte „Clar’s Goblets“, sanduhrförmige Strukturen aus elf Kohlenstoffringen. Das homogene Modell wurde hingegen mit Olympicen realisiert, einer Kohlenstoffstruktur, die fünf Ringe umfasst und an das Symbol der Olympischen Spiele erinnert.
Perspektiven für Quantentechnologien
Das Experiment zeigt, dass theoretische Konzepte der Quantenphysik mit synthetischen Materialien nachgebildet werden können. Damit bieten sich neue Möglichkeiten, um Quanteneffekte zu erforschen und für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Forschenden planen bereits weitere Experimente. Im Fokus stehen dabei ferrimagnetische Spinketten, bei denen die magnetischen Momente zwar entgegengesetzt ausgerichtet sind, sich jedoch nicht völlig aufheben.
Besonders spannend sind auch zweidimensionale Spin-Gitter. Diese weisen eine größere Vielfalt an Quantenphänomenen auf, darunter topologische Zustände und Quanten-Spinflüssigkeiten. Solche Strukturen könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Quantencomputern und anderen quantentechnologischen Anwendungen spielen.
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