7月6日，記者從中國科學院蘭州化學物理研究所獲悉，該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)變誘導的量子態(tài)調(diào)控摩擦機制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。
摩擦本質(zhì)和作用機制是摩擦學的基本科學問題，數(shù)百年來，科學家對這一難題展開了不懈探索，先后提出分子—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。
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撲結(jié)構(gòu)，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，違背了經(jīng)典摩擦定律在固-固界面下的適用性。
通過掃描隧道顯微鏡和超快光譜技術(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)引入等效規(guī)范場，產(chǎn)生高達數(shù)十特斯拉的贗磁場。其數(shù)學本質(zhì)是應(yīng)變對系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換，導致拓撲非平庸的能帶重構(gòu)，并在掃描隧道顯微鏡中觀測到量子化分立的贗朗道能級。
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朗道能級間的量子化躍遷，導致熱電子冷卻時間從暴露邊緣的0.32皮秒延長至折疊邊緣的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)控具有指導意義。
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