囚禁在真空中的離子能模擬出單個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的能量比空氣阻力和輪胎摩擦發(fā)熱所浪費的能量還要多。
麻省理工學院的VladanVuletic和同事們把一排帶負電的鐿離子放在電場中，模擬出了一個“表面”，并用兩臺激光器發(fā)出的激光模擬出另一個“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。
研究摩擦的科學家被稱為摩擦學家（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。但北卡羅來納州立大學的摩擦學家JacquelineKrim表示，這些測量有一些不可避免的限制，因為無法直接測量施加在單個原子上的力，以及因為這些力而耗散的能量。Krim認為MIT科學家發(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研究學院的理論物理學家ErioTosatti及其合作者設(shè)想出來的。Tosatti說：“它的好處在于，實驗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之前就預測了離子可以用來檢驗超光滑模型，這是于2004年首次在實驗中呈現(xiàn)的一種現(xiàn)象。
而Vuletic的團隊正是用離子系統(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，這跟兩個相同的表面相互摩擦的情形是一樣的，就像把兩個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。但當研究人員改變了離子的間距以后，間距的不對應就導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的出現(xiàn)過程，就好像我們把梳齒間距不對應的兩個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，但間距不等的時候原子會一個一個地滑動，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個以上的原子，這與Tosatti的預測是相符合的。
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)常用于超導等領(lǐng)域中現(xiàn)象的“量子模擬”（quantumsimulator），亦可測試未來的量子計算機。盡管在這項最新工作中Vuletic的團隊還是著眼于經(jīng)典效應，Vuletic稱他們的儀器也可用來研究量子效應在摩擦中產(chǎn)生的影響。Tosatti認為，這是無論在理論方面還是實驗方面都尚未有人開拓的領(lǐng)域。
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