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摩擦本質和作用機制是摩擦學的基本科學問題。數百年來，科學家對這一問題展開了不懈探索，先后提出Amontons-Coulomb定律、分子-機械學說、粘著摩擦理論等學說，奠定了經典摩擦學的理論基礎。隨著納米力學技術、低維材料及量子材料體系發(fā)展，摩擦研究逐漸從宏觀尺度拓展至聲子、電子尺度。

近期，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員張俊彥和副研究員龔珍彬團隊在量子摩擦研究方面取得重要進展。該團隊首次在實驗上觀察到固-固界面量子摩擦現象，并系統(tǒng)構建了電子、聲子耗散與摩擦的內在關系，揭示了拓撲應變誘導的量子態(tài)調控摩擦機制。

研究人員基于原子力顯微鏡納米針尖操縱技術，構筑了具有可控曲率與層數的折疊石墨烯邊緣拓撲結構，系統(tǒng)開展了納米尺度摩擦測量。研究發(fā)現，折疊石墨烯邊緣摩擦力隨層數呈現出顯著的非線性變化，違背了經典摩擦定律在固-固界面下的適用性。進一步，研究人員通過掃描隧道顯微鏡（STM）和超快光譜技術的實驗觀測與理論分析發(fā)現，石墨烯中非均勻應變可通過調制電子躍遷參數引入等效規(guī)范場，產生高達數十特斯拉的贗磁場，其數學本質是應變對系統(tǒng)哈密頓量的Peierls變換，導致拓撲非平庸的能帶重構，并在STM中觀測到量子化分立的贗朗道能級。這種電子結構變化抑制了電子-聲子耦合，使電子耗散從連續(xù)態(tài)躍遷轉變?yōu)橼I朗道能級間的量子化躍遷，并導致熱電子冷卻時間從暴露邊緣的0.32ps延長至折疊邊緣的0.49ps，有效降低了能量耗散，進而顯著降低摩擦。

這一研究為固-固界面量子摩擦提供了首個實驗證據，構建了基于拓撲結構調控耗散模式的研究框架，并驗證了量子態(tài)調控界面電子耗散過程的可行性。同時，該研究對發(fā)展低能耗納米器件與拓撲量子材料中摩擦調控具有指導意義。

相關研究工作以Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院的支持。

論文鏈接

納米針尖操縱可控折疊石墨烯

折疊石墨烯量子摩擦行為

折疊石墨烯摩擦耗散機制