研究揭示拓扑应变诱导的量子态调控摩擦机制

    科技日报讯 （记者颉满斌）7月6日，记者从中国科学院兰州化学物理研究所获悉，该所纳米润滑课题组首次在实验上观察到固—固界面量子摩擦现象，系统构建了电子、声子耗散与摩擦的内在关系，揭示了拓扑应变诱导的量子态调控摩擦机制。相关研究论文发表于《自然·通讯》。

    摩擦本质和作用机制是摩擦学的基本科学问题，数百年来，科学家对这一难题展开了不懈探索，先后提出分子—机械学说、粘着摩擦理论等学说，奠定了经典摩擦学的理论基础。随着纳米力学技术、低维材料和量子材料体系的发展，摩擦研究逐渐从宏观尺度拓展至声子、电子尺度。

    在本研究中，团队基于原子力显微镜纳米针尖操纵技术，构筑了具有可控曲率与层数的折叠石墨烯边缘拓扑结构，系统开展了纳米尺度摩擦测量。研究人员发现，折叠石墨烯边缘摩擦力随层数呈现出显著的非线性变化，违背了经典摩擦定律在固—固界面下的适用性。

    通过扫描隧道显微镜和超快光谱技术的实验观测与理论分析，团队发现石墨烯中非均匀应变可通过调制电子跃迁参数引入等效规范场，产生高达数十特斯拉的赝磁场。其数学本质是应变对系统哈密顿量的佩尔斯变换（Peierls），该变换导致拓扑非平庸的能带重构。团队还在扫描隧道显微镜中观测到量子化分立的赝朗道能级。

    研究人员介绍，这种电子结构变化显著抑制了电子—声子耦合，使电子耗散从连续态跃迁转变为赝朗道能级间的量子化跃迁，导致热电子冷却时间从暴露边缘的0.32皮秒延长至折叠边缘的0.49皮秒，有效降低了能量耗散，从而显著降低了摩擦。

    据了解，研究不仅提供了固—固界面量子摩擦的首个实验证据，还构建了基于拓扑结构调控耗散模式的研究框架，验证了量子态调控界面电子耗散过程的可行性，对发展低能耗纳米器件，以及进行拓扑量子材料中的摩擦调控具有指导意义。