Ein Schritt näher zu Quantentechnologien: Grundlegendes Quantenmodell aus Nanographenen nachgebildet
Zürich, 31. Oktober 2024 – Einem Team von Forschern am Laboratorium für molekulare Elektronik der ETH Zürich ist es gelungen, ein grundlegendes Quantenmodell aus Nanographenen nachzubilden. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Entwicklung neuer Quantentechnologien, die das Potenzial haben, unser Verständnis von Materie und Energie zu revolutionieren.
Quantenmechanik: Die Grundlage zukünftiger Technologien
Die Quantenmechanik ist die Theorie der kleinsten Einheiten der Materie und Energie, die als Quanten bezeichnet werden. Quanten können sich auf überraschende Weise verhalten, die den Gesetzen der klassischen Physik widersprechen. Beispielsweise können sie sich in Überlagerungszuständen befinden, in denen sie gleichzeitig an mehreren Orten existieren, oder über weite Entfernungen miteinander verschränkt sein.
Diese quantenmechanischen Phänomene werden in verschiedenen Bereichen erforscht, darunter in der Quanteninformationsverarbeitung, Quantensimulation und Quantenkryptographie. Quantentechnologien, die auf diesen Prinzipien basieren, versprechen Fortschritte in Bereichen wie der Arzneimittelentwicklung, der Materialwissenschaft und der sicheren Kommunikation.
Nanographene als Bausteine für Quantenmodelle
Nanographene sind extrem dünne, eine Atomlage dicke Kohlenstoffschichten, die aus miteinander verbundenen Sechsecken bestehen. Aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften sind Nanographene vielversprechende Kandidaten für den Bau von Quantensystemen.
In der aktuellen Studie verwendeten die Forscher Nanographene, um ein grundlegendes Quantenmodell, das als Hubbard-Modell bekannt ist, nachzubilden. Das Hubbard-Modell beschreibt das Verhalten von Elektronen, die sich auf einem Gitter befinden, und ist eines der grundlegendsten Modelle der Festkörperphysik.
Nachbildung des Hubbard-Modells mit Nanographenen
Um das Hubbard-Modell nachzubilden, konstruierten die Forscher ein Gitter aus Nanographenen, die als Elektronenreservoirs fungierten. An den Knotenpunkten des Gitters platzierten sie einzelne Nanographen, die die Elektronen auf dem Gitter darstellen sollten.
Durch die Anwendung elektrischer Felder auf die Nanographen konnten die Forscher die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen kontrollieren und so die Bedingungen des Hubbard-Modells nachbilden. Messungen der elektrischen Eigenschaften des Systems bestätigten, dass die Forscher erfolgreich ein Quantenmodell geschaffen hatten, das sich wie das Hubbard-Modell verhielt.
Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantentechnologien
Die Nachbildung des Hubbard-Modells aus Nanographenen ist ein bedeutender Fortschritt für die Entwicklung von Quantentechnologien. Das Hubbard-Modell ist ein grundlegendes Quantenmodell, das in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung findet. Die Möglichkeit, dieses Modell mit Nanographenen nachzubilden, eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung und Entwicklung von Quantencomputern, Quantensimulatoren und anderen Quantengeräten.
Darüber hinaus bietet die Verwendung von Nanographenen Vorteile gegenüber anderen Materialien, die für Quantenmodelle verwendet werden. Nanographene sind extrem stabil und können in großen Mengen hergestellt werden, was sie zu einem vielversprechenden Material für die Skalierung von Quantentechnologien macht.
Zukunftsaussichten
Die Forscher planen, ihre Arbeit fortzusetzen und komplexere Quantenmodelle mit Nanographenen nachzubilden. Sie hoffen, dass ihre Forschung schließlich zur Entwicklung neuer Quantentechnologien führen wird, die unser Leben in den kommenden Jahren revolutionieren werden.
Über das Laboratorium für molekulare Elektronik der ETH Zürich
Das Laboratorium für molekulare Elektronik der ETH Zürich ist ein weltweit führendes Forschungszentrum auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Das Laboratorium wird von Prof. Dr. Thomas Zülicke geleitet und konzentriert sich auf die Entwicklung neuer Materialien, Bauelemente und Systeme für die Quanteninformationsverarbeitung, Quantensimulation und Quantenkryptographie.
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