摘要：3月14日，《自然-材料》杂志发表一项突破性研究成果，让爱因斯坦和海森堡也会惊叹的实验终于成功了，瑞士科学家借助"奥运分子"实现量子物理学中的圣杯！

3月14日，《自然-材料》杂志发表一项突破性研究成果，让爱因斯坦和海森堡也会惊叹的实验终于成功了，瑞士科学家借助"奥运分子"实现量子物理学中的圣杯！

一个理论，已经存在了近一个世纪，科学家们都相信它是正确的，但却从未能在现实世界中验证它。这就好比是物理学家的"白鲸记"——长久以来一直在追寻，却始终难以企及。

直到现在！

瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究团队宣布了一项划时代的成就：他们成功地将一维海森堡模型从纸上的数学方程式转变为实验室中的现实存在。

什么是海森堡模型？

你可以想象一排小磁铁排成一条直线。在经典物理学中，每个磁铁都会简单地指向北或南。

但在量子世界里，事情变得复杂得多。这些微小的磁铁（称为"自旋"）不仅仅是简单地向上或向下指，它们还能处于两者的叠加态，并且通过一种称为"交换相互作用"的量子效应与邻居相互影响。

海森堡模型，由著名物理学家维尔纳·海森堡在20世纪早期提出，正是描述这种奇特行为的数学框架。它预测了许多反直觉的现象，如量子纠缠和分数激发态。但是，构建一个真实的系统来验证这些预测一直是个巨大挑战。

在罗曼·法塞尔（Roman Fasel）教授的带领下，研究人员们选择了一种特殊的分子作为他们的量子"乐高积木"——奥林匹森（Olympicene）。

这种分子因其形状酷似奥运五环而得名，由五个碳环组成。当精确设计和连接这些分子时，每个分子都会贡献一个自旋-1/2位点（量子磁性的基本单位）。

最神奇的是，研究人员可以像玩积木一样，精确控制这些分子链的长度。通过一种称为"尖端诱导脱氢"的技术，他们可以选择性地激活或关闭链中的自旋点，从而创建长度从1到50不等的精确量子链。

当研究团队开始测量这些分子链的量子特性时，他们观察到了一种令人惊叹的现象：在偶数长度的链中，最低激发能量随着链长的增加而减小，并且遵循幂律衰减关系。

简单来说，这就像是拉伸一根橡皮筋：链越长，产生第一次"量子跳跃"所需的能量就越低。而且，这种关系正好符合理论预测——能量与链长的倒数成正比。

更令人惊叹的是，在非常长的链（L=50）中，整个激发谱呈现出V形连续体，证实了在无限长链中能隙确实会消失的理论预测。

但故事的高潮还在后面。在奇数长度的链中，研究团队做了一个更加惊人的发现：他们直接观察到了"自旋子"的存在！

自旋子是一种奇特的准粒子，它代表自旋的分数激发。想象一下，如果普通粒子是完整的橙子，那么自旋子就像是橙子的一瓣——它们不能独立存在，但在特定条件下可以作为集体行为的一部分出现。

在奇数长度的链中，研究团队通过低偏压电流映射技术，观察到了自旋子的"驻波"模式。这些波在奇数位点上显示出强烈的调制，证实了自旋子确实存在，并且可以被实验捕捉到。

这项研究不仅仅是一次理论验证，它还开辟了探索量子世界的全新途径。研究团队已经计划用他们的"量子乐高"构建更复杂的系统，包括铁磁性自旋链和二维自旋晶格，后者可能展现出更加奇特的量子状态。

这些发现可能会对量子计算、超高速通信甚至是难以破解的加密技术产生深远影响，我们的下一代量子计算机可能就是基于这些碳纳米结构而构建！

当然这项研究也面临一些局限。

一是这些量子系统需要在极低温度（4.5开尔文，接近绝对零度）下操作。

二是实验数据显示的能量衰减速度略快于理论预测，这一差异的原因仍然是一个未解之谜。

研究团队承认，量子系统极其脆弱，且难以控制，从实验室成果到实用技术还有很长的路要走，但困难之处正是机会所在。

从海森堡近一个世纪前提出理论，到今天Empa研究团队的突破性实验，量子物理学走过了漫长而曲折的道路。这项研究不仅证实了前人的理论洞见，还为未来的量子技术奠定了坚实基础。

参考文献：

Zhao, C., Yang, L., Henriques, J.C.G., et al. (2025). Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains. Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-025-02166-1

来源：徐德文科学频道