科研人員揭示拓撲應變誘導的量子態調控摩擦機制

7月21日，記者從中國科學院蘭州化學物理研究所獲悉，該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象，系統構建了電子、聲子耗散與摩擦的內在關系，揭示了拓撲應變誘導的量子態調控摩擦機制。相關研究成果已發表于《自然·通訊》。

摩擦本質和作用機制是摩擦學的基本科學問題，自達·芬奇定義了摩擦系數以來，數百年來，科學家們對這一難題展開了不懈探索。隨著納米力學技術、低維材料和量子材料體系的發展，摩擦研究逐漸從宏觀尺度拓展至聲子、電子尺度。

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的折疊石墨烯邊緣拓撲結構，系統開展了納米尺度摩擦測量。研究發現，折疊石墨烯邊緣摩擦力隨層數呈現出顯著的非線性變化，違背了經典摩擦定律在固-固界面下的適用性。

折疊石墨烯量子摩擦行為。受訪者供圖

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，團隊發現石墨烯中非均勻應變可通過調制電子躍遷參數引入等效規范場，產生高達數十特斯拉的贗磁場。其數學本質是應變對系統哈密頓量的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，使電子耗散從連續態躍遷轉變為贗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。

從2021年開始，科研團隊歷時四年攻克了石墨烯可控折疊難題，并自主研發世界首個超低溫量子的摩擦系統，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”的傳統認知。研究發現，通過調整材料的微觀結構，能有效控制量子摩擦。

該研究不僅提供了固體和固體界面量子摩擦的首個實驗證據，還構建了基于拓撲結構調控耗散模式的研究框架，驗證了量子態調控界面電子耗散過程的可行性，對發展低能耗納米器件，拓撲量子材料中的摩擦調控具有指導意義。