Laserkølede ioner bidrager til bedre forståelse af friktion

I fysik, det er nyttigt at vide så præcist som muligt, hvordan friktionsfænomener opstår - og ikke kun i den makroskopiske skala, som i maskinteknik, men også på mikroskopisk skala, inden for områder som biologi og nanoteknologi. Det er ret svært at studere friktion på atomskalaen, hvor ikke-lineære effekter hersker.

Forskere fra QUEST-instituttet ved Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) har nu præsenteret et modelsystem, der gør det muligt at undersøge friktionseffekter og friktionsdynamik på atomare skala, der ligner dem, der finder sted i proteiner, DNA -tråde og andre deformerbare nanokontakter. Dette modelsystem består af laserkølede ioner, der arrangerer sig i Coulomb-krystaller. Forskerne har udført eksperimenter og numeriske simuleringer og opnået nye fundamentale fund om friktionsprocesser i disse atomare systemer. De har nu præsenteret deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

De fleste makroskopiske objekter har en ru tekstur fra et atomart synspunkt. Selvom de føles glatte at røre ved, de udviser skævheder. Strengt taget, to genstande ligger aldrig direkte oven på hinanden, men rør kun hinanden ved disse skævheder. Atomgitterstrukturen spiller derfor ingen rolle i denne interaktion. Dette er helt anderledes for objekter på atomskalaen, som nanomaskiner eller biomolekyler. "Her, atomisk glatte overflader rører hinanden. Overfladen spiller derfor også en rolle og skal tages med i modelberegninger, "forklarer PTB -fysiker Tanja E. Mehlstäubler." Disse modeller forklarer også fascinerende fænomener som superlubricitet, hvor statisk friktion bliver næsten ikke-eksisterende. Det opstår, når to krystallinske overflader er uforenelige med hinanden. Det betyder, at forholdet mellem gitterafstandene på glidefladerne er irrationelt. Dette fører til, at der ikke er noget sted, hvor de to overflader er et nøjagtigt match for hinanden."

Der er således grunde nok til præcist at måle friktion på nanoskala og til at undersøge dens dynamik. Der findes allerede et kraftfuldt instrument til at måle friktion, friktionskraftmikroskopet. "Direkte eksperimentel adgang til dynamikken i et friktionssystem er næsten umulig. Modelsystemer, hvor atomerne let kan kontrolleres - både tidsmæssigt og rumligt - er derfor uundværlige. Dette giver os mulighed for at undersøge dem, " forklarer Mehlstäubler. Sådan et system er nu blevet præsenteret af forskerne fra PTB, sammen med deres partnere fra Sydney. Ytterbiumioner, der opbevares i en ionfælde, afkøles ved hjælp af lasere i en sådan grad (ned til nogle få millikelvin), at de danner en krystal bestående af to kæder. Ionerne indretter sig sådan, at den nærmeste nabo altid er så langt væk som muligt. Denne struktur kaldes en zigzag.

To sådanne ionkæder er en meget nøjagtig repræsentation af de to partnere i en friktionsproces - og de er lette at observere meget præcist. Når ytterbium-ioner bestråles med lys, hvis frekvens er tæt på deres resonansfrekvens, de begynder at fluorescere. "Vi er således i stand til at observere de individuelle atomare partikler i deres bevægelse gennem vores billedoptik, tilføjer Jan Kiethe, en fysiker ved PTB og hovedforfatteren til undersøgelsen. En overgang mellem to forskellige faser, som var forårsaget af tilstedeværelsen af ​​en strukturel gitterdefekt, er blevet observeret og analyseret her. I et af regimerne, statisk friktion er hovedaktøren i transportdynamikken; i det andet regime, det er glidende friktion.

Dynamikken af ​​ionkæderne er sammenlignelig med dem i molekylekæder som DNA. I deres undersøgelse, forskerne har skabt et fysisk modelsystem til at undersøge den komplekse dynamik af friktion i 1-D, 2-D og 3-D systemer med atomær præcision. I øvrigt, dette modelsystem har banet vejen for undersøgelse af transportfænomener i kvanteregimet.