科学家用悬浮离子模拟奇异的“超光滑”现象。


　　囚禁在真空中的离子能模拟出单个原子量级下的表面摩擦，研究人员可以利用这一过程来研究为何有些“超光滑”表面，在滑动时没有任何能量损失。

　　工程师希望能掌控这种毫无摩擦的“超光滑性”——要知道，如果能把机器元件之间的摩擦减小到0，将会节省无数能量。在一辆普通汽车中，在引擎和传动装置部分因摩擦而浪费的能量比空气阻力和轮胎摩擦发热所浪费的能量还要多。

　　麻省理工学院的Vladan Vuletić和同事们把一排带负电的镱离子放在电场中，模拟出了一个“表面”，并用两台激光器发出的激光模拟出另一个“表面”，激光的干涉条纹对原子产生了周期性的力，就像金属表面的褶皱一样。研究人员让这排离子沿着激光滑过，激光对离子产生了压力可以模拟原子间作用力，在两种“固体”间产生了摩擦。

　　没有摩擦
　
　　研究摩擦的科学家被称为摩擦学家（tribologist），他们在早先使用原子力显微探针在物体表面移动，测量了微观乃至单原子层面的摩擦效应。但北卡罗来纳州立大学的摩擦学家Jacqueline Krim表示，这些测量有一些不可避免的限制，因为无法直接测量施加在单个原子上的力，以及因为这些力而耗散的能量。Krim认为MIT科学家发明的离子系统是“一套精美而优雅的测量装置”，也是测量原子层面摩擦的重要新工具。

　　这一离子系统最先是在2011年，由意大利里雅斯特国际先进研究学院的理论物理学家Erio Tosatti及其合作者设想出来的。Tosatti说：“它的好处在于，实验者可以方便地改变各类参数，比如原子间隔、温度、速度等，这是用普通固体材料所做不到的。”Tosatti之前就预测了离子可以用来检验超光滑模型，这是于2004年首次在实验中呈现的一种现象。

　　而Vuletić的团队正是用离子系统研究了超光滑现象。他们首先使用了单个离子，随后用了一系列粒子，其间距与激光干涉条纹的间距相等，这跟两个相同的表面相互摩擦的情形是一样的，就像把两个相同的梳子对着放到一起一样，它们的梳齿会相互咬紧无法动弹。但当研究人员改变了离子的间距以后，间距的不对应就导致了摩擦急剧下降到1/10。这一现象完全模拟了超光滑效应的出现过程，就好像我们把梳齿间距不对应的两个梳子放在一起摩擦一样。

　　“在等间距的情况下它们会一起滑动，但间距不等的时候原子会一个一个地滑动，像毛毛虫一样，”Vuletić说。

　　而好消息则是，超光滑性在少量原子中间即可产生，不需要100个以上的原子，这与Tosatti的预测是相符合的。

　　Vuletić搭建的设备包含了两种新技术：用电场囚禁离子以及用激光囚禁中性原子，这两种技术经常用于超导等领域中现象的“量子模拟”（quantum simulator），亦可测试未来的量子计算机。尽管在这项最新工作中Vuletić的团队还是着眼于经典效应，Vuletić称他们的仪器也可用来研究量子效应在摩擦中产生的影响。Tosatti认为，这是无论在理论方面还是实验方面都尚未有人开拓的领域。