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【科普中國】當固體“悄悄”滑過(guò)：科研人員首次捕捉到量子摩擦的奇妙現象
出品：科普中國
作者：龔珍彬、高新晨（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監制：中國科普博覽
摩擦力的“常識”在微觀(guān)世界里被打破了？
生活中，我們每天都在和摩擦打交道。鉛筆能在紙上留下痕跡，是因為鉛芯和紙面之間的摩擦；汽車(chē)在緊急剎車(chē)時(shí)會(huì )發(fā)熱，是因為摩擦將動(dòng)能轉化成了熱能；冰面比水泥地更滑，是因為冰的表面更加光滑平整。在經(jīng)典物理學(xué)中，摩擦的大小主要取決于接觸面的粗糙程度——表面越粗糙、壓力越大，摩擦力通常越大。這個(gè)規律幾乎是常識。
然而，當科研人員把目光放到納米尺度的微觀(guān)世界時(shí)，卻發(fā)現事情并不簡(jiǎn)單！在微觀(guān)世界里，電子、原子這些微觀(guān)粒子的行為，會(huì )讓我們熟悉的物理定律“翻車(chē)”。最近，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的科研團隊，就首次在固體之間直接觀(guān)測到了一種全新的現象—量子摩擦。它讓摩擦的表現，完全超出了我們平時(shí)的想象。
實(shí)驗突破：科研人員如何“看到”量子摩擦？
為了捕捉這個(gè)神秘的量子摩擦，科研人員們選擇了材料科學(xué)的“明星”——石墨烯。石墨烯只有一個(gè)原子那么薄，卻堅硬如鋼、導電性能優(yōu)異，還能被像紙一樣被折疊。研究人員用原子力顯微鏡的探針，就像用一根超細的“納米手指”去推石墨烯的邊緣，把它像折紙一樣翻起來(lái)。你可以想象成“用世界上最薄的紙片玩疊疊樂(lè )”。
在普通的石墨烯邊緣上，摩擦力會(huì )隨著(zhù)臺階高度增加而穩步增大，這符合經(jīng)典規律。但在折疊后的石墨烯邊緣上，摩擦力的變化卻出現了反常：在層數較少時(shí)，它的摩擦力增長(cháng)曲線(xiàn)很奇怪，不是直線(xiàn)，而是呈指數式上升；當層數達到一定值后，它又恢復為正常的線(xiàn)性變化。這個(gè)獨特的摩擦曲線(xiàn)，正是量子摩擦的標志性信號，也是科研人員們第一次在固體-固體界面上直接看到這種現象。
量子摩擦的奧秘：材料變形如何讓摩擦力“消失”？
這種反常摩擦的背后，是石墨烯折疊后產(chǎn)生的“魔法”——贗磁場(chǎng)。別被名字嚇到，這個(gè)磁場(chǎng)并不是磁鐵那種真正的磁場(chǎng)，而是由石墨烯在折疊時(shí)產(chǎn)生的不均勻應變造成的。在電子看來(lái)，它的作用就像一個(gè)真實(shí)的磁場(chǎng)，會(huì )迫使電子在材料里繞圈運動(dòng)，形成一種叫偽朗道能級的量子狀態(tài)。
在普通情況下，電子的運動(dòng)類(lèi)似廣場(chǎng)上隨意走動(dòng)的人群，經(jīng)常碰撞、消耗能量；而在偽朗道能級里，電子變得像排好隊、有秩序地行走的人群—碰撞減少，能量消耗自然也少。摩擦力，本質(zhì)上就是能量耗散的體現，因此會(huì )顯著(zhù)下降。這種“電子有序運動(dòng)”的場(chǎng)景，正是量子摩擦得以出現的根源。
顛覆認知：摩擦不一定越“高”越“強”
在我們的直覺(jué)中，越高的臺階、越陡的坡道，越難爬上去；在物理上，這意味著(zhù)障礙越大，摩擦阻力也越強。但這項研究表明，在量子世界里，決定摩擦大小的，不僅僅是臺階的高度或表面的粗糙度。材料的微觀(guān)結構、電子的量子態(tài)，甚至折疊時(shí)的曲率，都會(huì )改變摩擦的規律。這就像告訴你，影響一輛車(chē)行駛速度的，可能不只是路的坡度，還有交通擁堵情況。
一旦我們能夠控制這種“量子狀態(tài)”，就能制造出在微觀(guān)尺度上幾乎“無(wú)摩擦”的材料。例如，讓納米機器人在微小的血管里更自由穿梭，而不被阻力拖慢；或者制造出磨損極小的精密機械部件，大大延長(cháng)其使用壽命。
結語(yǔ)：量子摩擦會(huì )改變未來(lái)科技嗎？
量子摩擦的發(fā)現，不僅是一項基礎物理的突破，也可能對工程應用產(chǎn)生深遠影響。想象一下，未來(lái)的量子計算機中，關(guān)鍵部件或許能在幾乎沒(méi)有能耗的條件下運行；航天器的關(guān)鍵零件可能長(cháng)時(shí)間工作而不易磨損；甚至我們可以制造出像冰面一樣順滑的人工界面，讓固體“輕柔”地滑過(guò)彼此。
在宏觀(guān)世界，摩擦是消耗能量的“主要因素”；但在微觀(guān)世界，科研人員正在嘗試通過(guò)量子規則重新塑造摩擦，讓它從敵人變成朋友。這，也許是下一代低能耗、高效率科技的起點(diǎn)。
參考文獻：
1.Xinchen Gao,et al."Pseudo-Landau levels splitting triggers quantum friction at folded graphene edge."Nature Communications 16.1(2025):5558-5558.
