7月6日,記者從中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉,該研究所納米潤(rùn)滑課題組在量子摩擦研究方面取得重要進(jìn)展,研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)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?fù)鋺?yīng)變誘導(dǎo)的量子態(tài)調(diào)控摩擦機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。
摩擦本質(zhì)和作用機(jī)制是摩擦學(xué)的基本科學(xué)問(wèn)題,數(shù)百年來(lái),科學(xué)家對(duì)這一難題展開(kāi)了不懈探索,先后提出分子—機(jī)械學(xué)說(shuō)、粘著摩擦理論等學(xué)說(shuō),奠定了經(jīng)典摩擦學(xué)的理論基礎(chǔ)。隨著納米力學(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尺度拓展至聲子、電子尺度。
該研究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?fù)浣Y(jié)構(gòu),系統(tǒng)開(kāi)展了納米尺度摩擦測(cè)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,違背了經(jīng)典摩擦定律在固-固界面下的適用性。
通過(guò)掃描隧道顯微鏡和超快光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論分析,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨烯中非均勻應(yīng)變可通過(guò)調(diào)制電子躍遷參數(shù)引入等效規(guī)范場(chǎng),產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十特斯拉的贗磁場(chǎng)。其數(shù)學(xué)本質(zhì)是應(yīng)變對(duì)系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換,導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟哪軒е貥?gòu),并在掃描隧道顯微鏡中觀測(cè)到量子化分立的贗朗道能級(jí)。
研究發(fā)現(xiàn),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(jí)間的量子化躍遷,導(dǎo)致熱電子冷卻時(shí)間從暴露邊緣的0.32皮秒延長(zhǎng)至折疊邊緣的0.49皮秒,有效降低了能量耗散,從而顯著降低了摩擦。
研究不僅提供了固-固界面量子摩擦的首個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù),還構(gòu)建了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控耗散模式的研究框架,驗(yàn)證了量子態(tài)調(diào)控界面電子耗散過(guò)程的可行性,對(duì)發(fā)展低能耗納米器件,拓?fù)淞孔硬牧现械哪Σ琳{(diào)控具有指導(dǎo)意義。
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