近日，量子物理学领域迎来一则令人振奋的消息：百年前的量子理论从纸面上的构想走进了现实世界！瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究人员取得了一项重大成果，他们首次成功利用合成纳米石墨烯构建出了一个长期存在于理论中的一维交替海森堡模型。

海森堡模型是理解量子磁性的关键理论，其中自旋的相互作用模式尤为重要。此次研究涉及到两种海森堡模型：交替海森堡模型和均匀海森堡链模型。二者的区别在于自旋的连接方式：交替海森堡模型里，自旋通过强弱交替的耦合模式相互作用；而在均匀海森堡链中，自旋的连接更为均匀。这种看似细微的差异，却导致了两种模型截然不同的特性。均匀海森堡链展现出强烈的量子纠缠和长程相关性，其基态和激发态之间没有能隙；交替海森堡模型则出现了能隙，自旋倾向于形成紧密的配对，使得相关性迅速减弱 。

为了构建这些模型，研究人员选用了纳米石墨烯。纳米石墨烯是二维碳材料石墨烯的微小片段，通过精确控制这些片段的形状，就能调控其量子物理特性。在构建交替自旋链模型时，研究人员使用了由十一个碳环组成、形似沙漏的“克拉杯”纳米石墨烯分子；构建均匀海森堡链时，则采用了由五个碳环组成、因外形酷似奥运五环而得名的“奥运烯”纳米石墨烯分子。

研究团队在实验室中成功构建这两种模型，高精度地证实了理论预测，这一成果标志着实验量子物理学迈出了重要一步。相关研究成果已于3月14日发表在《自然材料》杂志上。

该研究的意义不止于理论验证。如今，量子技术在通信、计算、测量等众多领域展现出巨大的应用潜力，但量子态非常脆弱，研究其实际应用面临诸多困难。此次Empa研究人员借助纳米石墨烯搭建的“量子乐高”平台，能够更深入地研究量子效应，为未来实用化量子技术的发展奠定了基础。未来，研究团队还计划利用纳米石墨烯创建并研究亚铁磁自旋链，以及具有更多奇特相态的二维自旋晶格，进一步探索量子世界的奥秘。

参考资料：DOI： 10.1038/s41563-025-02166-1