实验实现单原子尺度的摩擦测定

王晋岚

据Science 2015，348：1115报道，麻省理工学院的武莱蒂奇（VladanVuletic）及其同事利用电场囚禁技术以及激光囚禁技术，成功实现单原子尺度的摩擦测定。

对摩擦现象的实验研究可以追溯到达，芬奇（Leonardo da Vinci）和阿蒙东（Guillaume Amontons）。对于宏观情况，摩擦力正比于施加于接触面法向的作用力，而与接触面的面积无关。人们同样知道，摩擦系数与相互接触的物体性质相关。对于一些特定制备的接触面，超润滑（superlubricity）现象被观测到。处于超润滑状态时，物体间摩擦力极其微小，能量耗散处于极小值。

然而，超润滑现象背后的物理机理仍然未知。对超润滑现象微观机制的探究成为基础研究的焦点，多种现代实验设施致力于此，如石英晶体微天平，表面力仪，原子力显微镜等。但这些测量手段无法直接测量施加在单个原子上的力，以及因此所耗散的能量。研究团队提出了“一套精美而优雅的测量装置”，成功实现了单个原子所受摩擦力的测量。研究团队利用电场囚禁技术把镱离子束缚在线性保罗势阱（linearPaul trap）中，形成离子晶体，用以模拟一个“表面”；两台激光器发出的激光形成干涉，干涉条纹对粒子产生周期性的力，用以模拟另一个“表面”。离子“表面”靠近光学“表面”，并于其上方滑过，整个过程中研究人员可以对每一个镱离子实现测量和控制。当体系处于有公度相（commensurate phase）时，可以观测到粘滑运动。随着体系由有公度相转变为无公度相（incommensuratephase），可以观测到由粘滑状态到超润滑状态的转变。

研究团队所设计的实验设施提供了对原子尺度摩擦的多种模拟，实验设施允许实验人员对离子数目、相互作用强度以及离子品格和光学品格之间的公度性强度进行操控。实验已经展示，与FK模型（Frenkel-Kontorova Model）的理论预测不同，仅在几个原子的尺度内便可以观测到与有公度相时相比，体系处于无公度相时，摩擦力极其微小。进一步的实验有望澄清摩擦发生的微观基本过程，甚至涉及量子效应在其中所发挥的重要作用。