Экспериментальная реализация изотропной модели Гейзенберга для спина -½ долгое время оставалась сложной задачей из-за отсутствия методов контроля над спиновыми цепочками. Учёные из Института микроструктур Макса Планка (Галле), Дрезденского технического университета, Международной Иберийской нанолаборатории (INL) и Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения (EMPA) преодолели эти ограничения, синтезировав ковалентно связанные цепочки из нанографенов с открытой оболочкой («олимпиценов») на поверхности Au(111).

С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследователи манипулировали спиновыми степенями свободы отдельных звеньев цепи, добиваясь точного контроля над её длиной — от димеров до цепочек из 50 единиц. Для анализа спиновых возбуждений применялась спектроскопия неупругого туннелирования электронов (IETS), дополненная расчётами методами квантовой химии. Обменное взаимодействие в системе достигло рекордных 38 мэВ, а степенной закон затухания спиновых возбуждений с ростом длины цепи подтвердил наличие квазидальнодействующих спиновых корреляций — ключевой характеристики безщелевой одномерной спиновой жидкости.

В цепочках с нечётным числом звеньев основное состояние представляет собой волновой пакет односпинонного состояния, чья амплитудная модуляция вдоль цепи проявляется в виде нулевой проводимости в IETS-спектрах. Самые длинные цепочки (50 единиц) продемонстрировали V-образные спектры возбуждений, отражающие закрытие щели в пределе L→∞.

Данная работа не только экспериментально подтверждает фундаментальные предсказания квантовой физики, но и открывает путь к созданию спиновых устройств на основе нанографенов. Как отмечают авторы, разработанный подход позволяет проектировать молекулы для реализации других квантовых моделей — например, в ближайшее время ожидается публикация исследования по экспериментальной реализации ещё одной модификации модели Гейзенберга с использованием NGs. Эти достижения приближают эру квантовых технологий, где управление спиновыми состояниями станет основой для новых вычислительных и энергоэффективных материалов.