中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所納米潤(rùn)滑課題組在量子摩擦研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到固體和固體界面量子摩擦現(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?fù)鋺?yīng)變誘導(dǎo)的量子態(tài)調(diào)控摩擦機(jī)制。

團(tuán)隊(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)開(kāi)展了納米尺度摩擦測(cè)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。

▲納米針尖操縱可控折疊石墨烯（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

通過(guò)掃描隧道顯微鏡（STM）和超快光譜技術(shù)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與理論分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)石墨烯中非均勻應(yīng)變可通過(guò)調(diào)制電子躍遷參數(shù)引入等效規(guī)范場(chǎng)，產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十特斯拉的贗磁場(chǎng)。其數(shù)學(xué)本質(zhì)是應(yīng)變對(duì)系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換，導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟哪軒е貥?gòu)，并在STM中觀測(cè)到量子化分立的贗朗道能級(jí)。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(jí)間的量子化躍遷，導(dǎo)致熱電子冷卻時(shí)間從暴露邊緣的0.32ps延長(zhǎng)至折疊邊緣的0.49ps，有效降低了能量耗散，從而顯著降低了摩擦。

▲折疊石墨烯摩擦耗散機(jī)制（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）

從2021年開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4年攻克了石墨烯可控折疊難題，并自主研發(fā)世界首個(gè)超低溫量子的摩擦系統(tǒng)，用于研究量子摩擦。同時(shí)，該研究還徹底顛覆了人們對(duì)摩擦力與勢(shì)壘高度“按比例增長(zhǎng)”的傳統(tǒng)認(rèn)知。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整材料的微觀結(jié)構(gòu)，能有效控制量子摩擦。