囚禁在真空中的離子能模擬出單個(gè)原子量級下的表面摩擦，研究人員可以利用這一過程來研究為何有些“超光滑”表面，在滑動時(shí)沒有任何能量損失。
受電場與激光限制的原子可以幫助我們研究原子層面的摩擦現(xiàn)象
受電場與激光限制的原子可以幫助我們研究原子層面的摩擦現(xiàn)象
工程師希望能掌控這種毫無摩擦的“超光滑性”——要知道，如果能把機(jī)器元件之間的摩擦減小到0，將會節(jié)省無數(shù)能量。在一輛普通汽車中，在引擎和傳動裝置部分因摩擦而浪費(fèi)的能量比空氣阻力和輪胎摩擦發(fā)熱所浪費(fèi)的能量還要多。
麻省理工學(xué)院的VladanVuletic和同事們把一排帶負(fù)電的鐿離子放在電場中，模擬出了一個(gè)“表面”，并用兩臺激光器發(fā)出的激光模擬出另一個(gè)“表面”，激光的干涉條紋對原子產(chǎn)生了周期性的力，就像金屬表面的褶皺一樣。研究人員讓這排離子沿著激光滑過，激光對離子產(chǎn)生了壓力可以模擬原子間作用力，在兩種“固體”間產(chǎn)生了摩擦。
研究摩擦的科學(xué)家被稱為摩擦學(xué)家（tribologist），他們在早先使用原子力顯微探針在物體表面移動，測量了微觀乃至單原子層面的摩擦效應(yīng)。但北卡羅來納州立大學(xué)的摩擦學(xué)家JacquelineKrim表示，這些測量有一些不可避免的限制，因?yàn)闊o法直接測量施加在單個(gè)原子上的力，以及因?yàn)檫@些力而耗散的能量。Krim認(rèn)為MIT科學(xué)家發(fā)明的離子系統(tǒng)是“一套精美而優(yōu)雅的測量裝置”，也是測量原子層面摩擦的重要新工具。
這一離子系統(tǒng)最先是在2011年，由意大利里雅斯特國際先進(jìn)研究學(xué)院的理論物理學(xué)家ErioTosatti及其合作者設(shè)想出來的。Tosatti說：“它的好處在于，實(shí)驗(yàn)者可以方便地改變各類參數(shù)，比如原子間隔、溫度、速度等，這是用普通固體材料所做不到的。”Tosatti之前就預(yù)測了離子可以用來檢驗(yàn)超光滑模型，這是于2004年首次在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的一種現(xiàn)象。
而Vuletic的團(tuán)隊(duì)正是用離子系統(tǒng)研究了超光滑現(xiàn)象。他們首先使用了單個(gè)離子，隨后用了一系列粒子，其間距與激光干涉條紋的間距相等，這跟兩個(gè)相同的表面相互摩擦的情形是一樣的，就像把兩個(gè)相同的梳子對著放到一起一樣，它們的梳齒會相互咬緊無法動彈。但當(dāng)研究人員改變了離子的間距以后，間距的不對應(yīng)就導(dǎo)致了摩擦急劇下降到1/10。這一現(xiàn)象完全模擬了超光滑效應(yīng)的出現(xiàn)過程，就好像我們把梳齒間距不對應(yīng)的兩個(gè)梳子放在一起摩擦一樣。
“在等間距的情況下它們會一起滑動，但間距不等的時(shí)候原子會一個(gè)一個(gè)地滑動，像毛毛蟲一樣，”Vuletic說。
而好消息則是，超光滑性在少量原子中間即可產(chǎn)生，不需要100個(gè)以上的原子，這與Tosatti的預(yù)測是相符合的。
Vuletic搭建的設(shè)備包含了兩種新技術(shù)：用電場囚禁離子以及用激光囚禁中性原子，這兩種技術(shù)經(jīng)常用于超導(dǎo)等領(lǐng)域中現(xiàn)象的“量子模擬”（quantumsimulator），亦可測試未來的量子計(jì)算機(jī)。盡管在這項(xiàng)最新工作中Vuletic的團(tuán)隊(duì)還是著眼于經(jīng)典效應(yīng)，Vuletic稱他們的儀器也可用來研究量子效應(yīng)在摩擦中產(chǎn)生的影響。Tosatti認(rèn)為，這是無論在理論方面還是實(shí)驗(yàn)方面都尚未有人開拓的領(lǐng)域。
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