實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)單原子尺度的摩擦測定

王晉嵐

據(jù)Science 2015，348：1115報(bào)道，麻省理工學(xué)院的武萊蒂奇（VladanVuletic）及其同事利用電場囚禁技術(shù)以及激光囚禁技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)單原子尺度的摩擦測定。

對摩擦現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究可以追溯到達(dá)，芬奇（Leonardo da Vinci）和阿蒙東（Guillaume Amontons）。對于宏觀情況，摩擦力正比于施加于接觸面法向的作用力，而與接觸面的面積無關(guān)。人們同樣知道，摩擦系數(shù)與相互接觸的物體性質(zhì)相關(guān)。對于一些特定制備的接觸面，超潤滑（superlubricity）現(xiàn)象被觀測到。處于超潤滑狀態(tài)時(shí)，物體間摩擦力極其微小，能量耗散處于極小值。

然而，超潤滑現(xiàn)象背后的物理機(jī)理仍然未知。對超潤滑現(xiàn)象微觀機(jī)制的探究成為基礎(chǔ)研究的焦點(diǎn)，多種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)施致力于此，如石英晶體微天平，表面力儀，原子力顯微鏡等。但這些測量手段無法直接測量施加在單個(gè)原子上的力，以及因此所耗散的能量。研究團(tuán)隊(duì)提出了“一套精美而優(yōu)雅的測量裝置”，成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子所受摩擦力的測量。研究團(tuán)隊(duì)利用電場囚禁技術(shù)把鐿離子束縛在線性保羅勢阱（linearPaul trap）中，形成離子晶體，用以模擬一個(gè)“表面”；兩臺(tái)激光器發(fā)出的激光形成干涉，干涉條紋對粒子產(chǎn)生周期性的力，用以模擬另一個(gè)“表面”。離子“表面”靠近光學(xué)“表面”，并于其上方滑過，整個(gè)過程中研究人員可以對每一個(gè)鐿離子實(shí)現(xiàn)測量和控制。當(dāng)體系處于有公度相（commensurate phase）時(shí)，可以觀測到粘滑運(yùn)動(dòng)。隨著體系由有公度相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o公度相（incommensuratephase），可以觀測到由粘滑狀態(tài)到超潤滑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施提供了對原子尺度摩擦的多種模擬，實(shí)驗(yàn)設(shè)施允許實(shí)驗(yàn)人員對離子數(shù)目、相互作用強(qiáng)度以及離子品格和光學(xué)品格之間的公度性強(qiáng)度進(jìn)行操控。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)展示，與FK模型（Frenkel-Kontorova Model）的理論預(yù)測不同，僅在幾個(gè)原子的尺度內(nèi)便可以觀測到與有公度相時(shí)相比，體系處于無公度相時(shí)，摩擦力極其微小。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)有望澄清摩擦發(fā)生的微觀基本過程，甚至涉及量子效應(yīng)在其中所發(fā)揮的重要作用。