王晉嵐

據Science 2015，348：1115報道，麻省理工學院的武萊蒂奇（VladanVuletic）及其同事利用電場囚禁技術以及激光囚禁技術，成功實現單原子尺度的摩擦測定。

對摩擦現象的實驗研究可以追溯到達，芬奇（Leonardo da Vinci）和阿蒙東（Guillaume Amontons）。對于宏觀情況，摩擦力正比于施加于接觸面法向的作用力，而與接觸面的面積無關。人們同樣知道，摩擦系數與相互接觸的物體性質相關。對于一些特定制備的接觸面，超潤滑（superlubricity）現象被觀測到。處于超潤滑狀態(tài)時，物體間摩擦力極其微小，能量耗散處于極小值。

然而，超潤滑現象背后的物理機理仍然未知。對超潤滑現象微觀機制的探究成為基礎研究的焦點，多種現代實驗設施致力于此，如石英晶體微天平，表面力儀，原子力顯微鏡等。但這些測量手段無法直接測量施加在單個原子上的力，以及因此所耗散的能量。研究團隊提出了“一套精美而優(yōu)雅的測量裝置”，成功實現了單個原子所受摩擦力的測量。研究團隊利用電場囚禁技術把鐿離子束縛在線性保羅勢阱（linearPaul trap）中，形成離子晶體，用以模擬一個“表面”；兩臺激光器發(fā)出的激光形成干涉，干涉條紋對粒子產生周期性的力，用以模擬另一個“表面”。離子“表面”靠近光學“表面”，并于其上方滑過，整個過程中研究人員可以對每一個鐿離子實現測量和控制。當體系處于有公度相（commensurate phase）時，可以觀測到粘滑運動。隨著體系由有公度相轉變?yōu)闊o公度相（incommensuratephase），可以觀測到由粘滑狀態(tài)到超潤滑狀態(tài)的轉變。

研究團隊所設計的實驗設施提供了對原子尺度摩擦的多種模擬，實驗設施允許實驗人員對離子數目、相互作用強度以及離子品格和光學品格之間的公度性強度進行操控。實驗已經展示，與FK模型（Frenkel-Kontorova Model）的理論預測不同，僅在幾個原子的尺度內便可以觀測到與有公度相時相比，體系處于無公度相時，摩擦力極其微小。進一步的實驗有望澄清摩擦發(fā)生的微觀基本過程，甚至涉及量子效應在其中所發(fā)揮的重要作用。