Большинство макроскопических объектов имеют грубую текстуру с атомарной точки зрения. Даже если они кажутся гладкими на ощупь, на них видны неровности. Строго говоря, два объекта никогда не лежат непосредственно друг на друге, а только касаются друг друга на этих неровностях. Таким образом, структура атомной решетки не играет роли в этом взаимодействии.
Совершенно иначе обстоит дело с объектами атомного масштаба, такими как наномашины или биомолекулы. «Здесь атомарно гладкие поверхности соприкасаются друг с другом. Поэтому поверхность также играет роль и должна учитываться при расчетах модели», — поясняет физик PTB Таня Э. Мельштаублер. «Эти модели также объясняют увлекательные явления, такие как сверхсмазка, когда статическое трение практически отсутствует.
Это происходит, когда две кристаллические поверхности несоизмеримы друг с другом. Это означает, что соотношение периодов решеток поверхностей скольжения является иррациональным. Это приводит к чтобы не было места, где две поверхности точно соответствовали бы друг другу ".Таким образом, есть достаточно причин, чтобы точно измерить трение в наномасштабе и исследовать его динамику.
Когда дело доходит до измерения трения, уже существует мощный инструмент, а именно микроскоп силы трения. Второй момент более сложен: «Прямой экспериментальный доступ к динамике системы трения практически невозможен. Поэтому без модельных систем, в которых атомы легко управлять — как во времени, так и в пространстве, — не обойтись. Это позволяет нам исследовать их, "объясняет Мельштаублер.
Такую систему сейчас представили ученые из PTB вместе со своими партнерами из Сиднея: ионы иттербия, содержащиеся в ионной ловушке, охлаждаются с помощью лазеров до такой степени (до нескольких милликельвинов), что они образуют кристалл, состоящий из из двух цепей. Ионы располагаются таким образом, что ближайший сосед всегда находится как можно дальше.
Эта структура называется зигзагом.Две такие ионные цепочки очень точно представляют двух партнеров процесса трения — и их легко очень точно наблюдать: когда ионы иттербия облучаются светом, частота которого близка к их резонансной частоте, они начинают флуоресцировать. «Таким образом, мы можем наблюдать отдельные атомные частицы в их движении через нашу оптическую систему визуализации», — добавляет Ян Ките, физик из PTB и главный автор исследования. Здесь был обнаружен и проанализирован переход между двумя различными фазами, вызванный наличием структурного дефекта решетки. В одном из режимов трение покоя является основным действующим лицом в динамике переноса; в другом — трение скольжения.
Динамика ионных цепей сравнима с динамикой молекулярных цепочек, подобных тем, которые встречаются в ДНК. С помощью своей теперь опубликованной работы ученые создали систему физических моделей, которая позволит исследовать сложную динамику трения в 1D, 2D и 3D системах с атомарной точностью.
Более того, эта модельная система открыла путь для исследования явлений переноса в квантовом режиме.