摩擦本質(zhì)和作用機制是摩擦學(xué)的基本科學(xué)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(xué)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(xué)說、粘著摩擦理論等學(xué)說，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。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)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(xué)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(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目和國家自然科學(xué)基金的支持。