科研進(jìn)展
蘭州化物所量子摩擦研究獲重要進(jìn)展
摩擦本質(zhì)和作用機制是摩擦學(xué)的基本科學(xué)問(wèn)題，自達芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）定義了摩擦系數以來(lái)，數百年來(lái)，科學(xué)家們對這一難題展開(kāi)了不懈探索，先后提出了Amontons-Coulomb定律、分子－機械學(xué)說(shuō)、粘著(zhù)摩擦理論等學(xué)說(shuō)，奠定了經(jīng)典摩擦學(xué)的理論基礎。隨著(zhù)納米力學(xué)技術(shù)、低維材料和量子材料體系的發(fā)展，摩擦研究逐漸從宏觀(guān)尺度拓展至聲子、電子尺度。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所納米潤滑課題組在量子摩擦研究方面取得重要進(jìn)展，研究團隊首次在實(shí)驗上觀(guān)察到固-固界面量子摩擦現象，系統構建了電子、聲子耗散與摩擦的內在關(guān)系，揭示了拓撲應變誘導的量子態(tài)調控摩擦機制。
團隊基于原子力顯微鏡納米針尖操縱技術(shù)，構筑了具有可控曲率與層數的折疊石墨烯邊緣拓撲結構（圖1），系統開(kāi)展了納米尺度摩擦測量。研究發(fā)現，折疊石墨烯邊緣摩擦力隨層數呈現出顯著(zhù)的非線(xiàn)性變化（圖2），違背了經(jīng)典摩擦定律在固-固界面下的適用性。
圖1.納米針尖操縱可控折疊石墨烯
圖2.折疊石墨烯量子摩擦行為
通過(guò)掃描隧道顯微鏡（STM）和超快光譜技術(shù)的實(shí)驗觀(guān)測與理論分析，團隊發(fā)現石墨烯中非均勻應變可通過(guò)調制電子躍遷參數（hopping）引入等效規范場(chǎng)，產(chǎn)生高達數十特斯拉的贗磁場(chǎng)（pseudo-magnetic field）。其數學(xué)本質(zhì)是應變對系統哈密頓量的Peierls變換，導致拓撲非平庸的能帶重構，并在STM中觀(guān)測到量子化分立的贗朗道能級（圖3）。這種電子結構變化顯著(zhù)抑制了電子-聲子耦合，使電子耗散從連續態(tài)躍遷轉變?yōu)橼I朗道能級間的量子化躍遷，導致熱電子冷卻時(shí)間從暴露邊緣的0.32 ps延長(cháng)至折疊邊緣的0.49 ps，有效降低了能量耗散，從而顯著(zhù)降低了摩擦。
該工作不僅提供了固-固界面量子摩擦的首個(gè)實(shí)驗證據，還構建了基于拓撲結構調控耗散模式的研究框架，驗證了量子態(tài)調控界面電子耗散過(guò)程的可行性，對發(fā)展低能耗納米器件，拓撲量子材料中的摩擦調控具有指導意義。
圖3.折疊石墨烯摩擦耗散機制
該研究工作以“Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge”為題發(fā)表在Nature Communications上。蘭州化物所高新晨博士生為該論文第一作者，龔珍彬副研究員和張俊彥研究員為共同通訊作者。
以上研究得到了中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項、中國科學(xué)院基礎前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng )新項目和國家自然科學(xué)基金的支持。
