Quantentechnologien nutzen die ungewöhnlichen Eigenschaften der fundamentalen Bausteine der Materie. Quantenzustände sind jedoch fragil und ihre Effekte schwer zu fassen. Forschende der Eidgenössischen Mess- und Prüfanstalt (Empa) und ihren Partnern ist nun ein Durchbruch gelungen: Sie konnten mit einer Art „Quanten-Lego“ ein bekanntes theoretisches quantenphysikalisches Modell in einem synthetischen Material exakt nachbauen.
Um ein solches künstliches Quantenmaterial herzustellen, griffen die Empa-Forschenden auf winzige Stückchen Graphen zurück. Dieses Nanographen-Molekül (das sogenannte Clar's Goblet) besteht aus elf Kohlenstoffringen, die in einer Sanduhr-ähnlichen Form angeordnet sind. Aufgrund dieser besonderen Form befindet sich an beiden Enden je ein ungepaartes Elektron, jedes mit einem dazugehörigen Spin. Es ist praktisch eine Art Nano-Quanten-Legostein, aus dem man längere Ketten „zusammenstecken“ kann.
Nun haben die Forschenden die Goblets auf einer Goldoberfläche zu Ketten verknüpft. Die zwei Spins innerhalb eines Moleküls sind dabei schwach miteinander verknüpft, die Spins von Molekül zu Molekül stark. Die Forschenden konnten die Länge der Ketten präzise manipulieren, einzelne Spins gezielt ein- und ausschalten sowie von einem Zustand in den anderen drehen. Sie konnten zeigen, dass sich theoretische Modelle der Quantenphysik mit Nanographen realisieren lassen.
