摩擦本質(zhì)和作用機制是摩擦學的基本科學問題，自達芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)定義了摩擦系數(shù)以來，數(shù)百年來，科學家們對這一難題展開了不懈探索，先后提出了Amontons-Coulomb定律、分子-機械學說、粘著摩擦理論等學說，奠定了經(jīng)典摩擦學的理論基礎(chǔ)。隨著納米力學技術(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尺度拓展至聲子、電子尺度。 
近日，中國科學院蘭州化學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展，研究團隊首次在實驗上觀察到固-固界面量子摩擦現(xiàn)象，系統(tǒng)構(gòu)建了電子、聲子耗散與摩擦的內(nèi)在關(guān)系，揭示了拓撲應(yīng)變誘導(dǎo)的量子態(tài)調(diào)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(gòu)筑了具有可控曲率與層數(shù)的折疊石墨烯邊緣拓撲結(jié)構(gòu)(圖1)，系統(tǒng)開展了納米尺度摩擦測量。研究發(fā)現(xiàn)，折疊石墨烯邊緣摩擦力隨層數(shù)呈現(xiàn)出顯著的非線性變化(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
通過掃描隧道顯微鏡(STM)和超快光譜技術(shù)的實驗觀測與理論分析，團隊發(fā)現(xiàn)石墨烯中非均勻應(yīng)變可通過調(diào)制電子躍遷參數(shù)(hopping)引入等效規(guī)范場，產(chǎn)生高達數(shù)十特斯拉的贗磁場(pseudo-magnetic field)。其數(shù)學本質(zhì)是應(yīng)變對系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換，導(dǎo)致拓撲非平庸的能帶重構(gòu)，并在STM中觀測到量子化分立的贗朗道能級(圖3)。這種電子結(jié)構(gòu)變化顯著抑制了電子-聲子耦合，使電子耗散從連續(xù)態(tài)躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)橼I朗道能級間的量子化躍遷，導(dǎo)致熱電子冷卻時間從暴露邊緣的0.32 ps延長至折疊邊緣的0.49 ps，有效降低了能量耗散，從而顯著降低了摩擦。
該工作不僅提供了固-固界面量子摩擦的首個實驗證據(jù)，還構(gòu)建了基于拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)控耗散模式的研究框架，驗證了量子態(tài)調(diào)控界面電子耗散過程的可行性，對發(fā)展低能耗納米器件，拓撲量子材料中的摩擦調(diào)控具有指導(dǎo)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院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學院基礎(chǔ)前沿科學研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目和國家自然科學基金的支持。
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