中國科學院蘭州化學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中觀察到固體和固體界面量子摩擦現(xiàn)象，系統(tǒng)構建了電子、聲子耗散與摩擦的內(nèi)在關系，揭示了拓撲應變誘導的量子態(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，構筑了具有可控曲率與層數(shù)的折疊石墨烯邊緣拓撲結構，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，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（圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所）

通過掃描隧道顯微鏡（STM）和超快光譜技術的實驗觀測與理論分析，團隊發(fā)現(xiàn)石墨烯中非均勻應變可通過調(diào)制電子躍遷參數(shù)引入等效規(guī)范場，產(chǎn)生高達數(shù)十特斯拉的贗磁場。其數(shù)學本質(zhì)是應變對系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換，導致拓撲非平庸的能帶重構，并在STM中觀測到量子化分立的贗朗道能級。這種電子結構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，導致熱電子冷卻時間從暴露邊緣的0.32ps延長至折疊邊緣的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制（圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所）

從2021年開始，團隊歷時4年攻克了石墨烯可控折疊難題，并自主研發(fā)世界首個超低溫量子的摩擦系統(tǒng)，用于研究量子摩擦。同時，該研究還徹底顛覆了人們對摩擦力與勢壘高度“按比例增長”的傳統(tǒng)認知。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整材料的微觀結構，能有效控制量子摩擦。