兰州化物所量子摩擦研究获重要进展

　　摩擦本质和作用机制是摩擦学的基本科学问题，自达芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)定义了摩擦系数以来，数百年来，科学家们对这一难题展开了不懈探索，先后提出了Amontons-Coulomb定律、分子-机械学说、粘着摩擦理论等学说，奠定了经典摩擦学的理论基础。随着纳米力学技术、低维材料和量子材料体系的发展，摩擦研究逐渐从宏观尺度拓展至声子、电子尺度。
 

　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所纳米润滑课题组在量子摩擦研究方面取得重要进展，研究团队首次在实验上观察到固-固界面量子摩擦现象，系统构建了电子、声子耗散与摩擦的内在关系，揭示了拓扑应变诱导的量子态调控摩擦机制。
 

　　团队基于原子力显微镜纳米针尖操纵技术，构筑了具有可控曲率与层数的折叠石墨烯边缘拓扑结构(图1)，系统开展了纳米尺度摩擦测量。研究发现，折叠石墨烯边缘摩擦力随层数呈现出显著的非线性变化(图2)，违背了经典摩擦定律在固-固界面下的适用性。
 

图1.纳米针尖操纵可控折叠石墨烯
 

图2.折叠石墨烯量子摩擦行为
 

　　通过扫描隧道显微镜(STM)和超快光谱技术的实验观测与理论分析，团队发现石墨烯中非均匀应变可通过调制电子跃迁参数(hopping)引入等效规范场，产生高达数十特斯拉的赝磁场(pseudo-magnetic field)。其数学本质是应变对系统哈密顿量的Peierls变换，导致拓扑非平庸的能带重构，并在STM中观测到量子化分立的赝朗道能级(图3)。这种电子结构变化显著抑制了电子-声子耦合，使电子耗散从连续态跃迁转变为赝朗道能级间的量子化跃迁，导致热电子冷却时间从暴露边缘的0.32 ps延长至折叠边缘的0.49 ps，有效降低了能量耗散，从而显著降低了摩擦。
 

　　该工作不仅提供了固-固界面量子摩擦的首个实验证据，还构建了基于拓扑结构调控耗散模式的研究框架，验证了量子态调控界面电子耗散过程的可行性，对发展低能耗纳米器件，拓扑量子材料中的摩擦调控具有指导意义。
 

图3.折叠石墨烯摩擦耗散机制
 

　　该研究工作以“Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge”为题发表在Nature Communications上。兰州化物所高新晨博士生为该论文第一作者，龚珍彬副研究员和张俊彦研究员为共同通讯作者。
 

　　以上研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目和国家自然科学基金的支持。