实验实现单原子尺度的摩擦测定

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  据Science 2015,348:1115报道,麻省理工学院的武莱蒂奇(VladanVuletic)及其同事利用电场囚禁技术以及激光囚禁技术,成功实现单原子尺度的摩擦测定。
  对摩擦现象的实验研究可以追溯到达,芬奇(Leonardo da Vinci)和阿蒙东(Guillaume Amontons)。对于宏观情况,摩擦力正比于施加于接触面法向的作用力,而与接触面的面积无关。人们同样知道,摩擦系数与相互接触的物体性质相关。对于一些特定制备的接触面,超润滑(superlubricity)现象被观测到。处于超润滑状态时,物体间摩擦力极其微小,能量耗散处于极小值。
  然而,超润滑现象背后的物理机理仍然未知。对超润滑现象微观机制的探究成为基础研究的焦点,多种现代实验设施致力于此,如石英晶体微天平,表面力仪,原子力显微镜等。但这些测量手段无法直接测量施加在单个原子上的力,以及因此所耗散的能量。研究团队提出了“一套精美而优雅的测量装置”,成功实现了单个原子所受摩擦力的测量。研究团队利用电场囚禁技术把镱离子束缚在线性保罗势阱(linearPaul trap)中,形成离子晶体,用以模拟一个“表面”;两台激光器发出的激光形成干涉,干涉条纹对粒子产生周期性的力,用以模拟另一个“表面”。离子“表面”靠近光学“表面”,并于其上方滑过,整个过程中研究人员可以对每一个镱离子实现测量和控制。当体系处于有公度相(commensurate phase)时,可以观测到粘滑运动。随着体系由有公度相转变为无公度相(incommensuratephase),可以观测到由粘滑状态到超润滑状态的转变。
  研究团队所设计的实验设施提供了对原子尺度摩擦的多种模拟,实验设施允许实验人员对离子数目、相互作用强度以及离子品格和光学品格之间的公度性强度进行操控。实验已经展示,与FK模型(Frenkel-Kontorova Model)的理论预测不同,仅在几个原子的尺度内便可以观测到与有公度相时相比,体系处于无公度相时,摩擦力极其微小。进一步的实验有望澄清摩擦发生的微观基本过程,甚至涉及量子效应在其中所发挥的重要作用。
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