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超冷物质

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超冷离子对测试产生了摩擦

“Dragging”跨晶格的超冷离子为摩擦提供了重要的见解。通过调整离子之间的距离,Alexei Bylinskii,Dorian Gangloff和 弗拉丹·弗莱蒂奇 美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的研究人员将两者之间的摩擦降低了100倍。他们的工作可以为“superlubricity”并进一步发展小型机械设备。

摩擦经常发生为“stick–slip”处理过程,两个物体以抽动的方式彼此滑动。虽然这表明这些物体交替地相互抓住然后释放,但在原子尺度上尚不清楚确切的物理过程。更令人困惑的是超润滑现象,其中某些物体可以零摩擦相互滑过。

卡在差距中

这些过程的一种可能解释是,当一个对象表面上的原子之间的间距与另一对象表面上的间距相同或相称时,摩擦最大。在这种情况下,一个表面上的所有原子都将卡在另一表面上的原子之间的间隙中。施加滑动力时,必须足够大,才能将所有这些原子从间隙中拧出,然后才能滑入下一个间隙并再次卡住。如果间隙和原子不相称,则更少的原子将被卡住,摩擦将变弱。如果不匹配非常大,则可能发生超润滑。这是75年前首次提出的Frenkel-Kontorova(FK)摩擦模型的实质。

要了解从粘滑到超润滑的过渡是如何发生的,Vuletić’的团队研究了当一排等距的离子滑过一维光学晶格时发生的情况-这本质上是一束具有峰值和谷值的驻波。实验涉及将离子冷却到接近绝对零(48μK)的温度,并使用电场将多达6个离子保持在一条线中。离子之间的相互电排斥使它们以6μm的间隔分开。光学晶格的波长约为185 nm。

拖放

离子线是“dragged”通过在那个方向上施加电场来跨越晶格。当离子“slips”从一个槽到另一个槽,它发出荧光,由显微镜检测。当离子和晶格相称时,该团队测量相对较大的摩擦力。当使用越来越不相称的离子分离重复进行几次实验时,摩擦降低了100倍。

通过观察离子在运动时发出的光,研究小组表明,在滑移后,一条相称线中的所有离子都同时粘附。但是,在不匹配的行中,只有一些离子在滑移后才出现粘滞现象,这是FK模型预测的行为。

“我们可以做的是随意调整离子之间的距离,使其与光学晶格匹配以实现最大摩擦,或者不匹配而没有摩擦,”弗莱蒂奇说。他形容相应的粘滑过程就像地震一样:“There’势力增强,然后在那里’突然释放出灾难性的能量。”相比之下,不相称的滑动要平滑得多,有些离子粘在槽中,而另一些则终止在自由移动的峰值处。上面的视频中显示了两个动作的动画。

温度依赖性

研究人员还发现有证据表明温度对摩擦有很大影响-即使在48μK时也是如此。这是因为用包含离子热运动的模型可以最好地描述它们的观测结果。

Friction is important for those trying to build extremely small machines, because frictional processes that have little effect on large devices can completely gum up a nanoscale device. 那里fore, the insights from this latest research could lead to the development of materials with tailored frictional properties. The work could also provide important insights into the operation of “molecular motors”在机体中巧妙地利用摩擦力。

该研究报告在 科学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者