当固体“悄悄”滑过：科研人员首次捕捉到量子摩擦的奇妙现象

（来源：科普中国）

转自：科普中国

生活中，我们每天都在和摩擦打交道。铅笔能在纸上留下痕迹，是因为铅芯和纸面之间的摩擦；汽车在紧急刹车时会发热，是因为摩擦将动能转化成了热能；冰面比水泥地更滑，是因为冰的表面更加光滑平整。在经典物理学中，摩擦的大小主要取决于接触面的粗糙程度——表面越粗糙、压力越大，摩擦力通常越大。这个规律几乎是常识。

然而，当科研人员把目光放到纳米尺度的微观世界时，却发现事情并不简单！在微观世界里，电子、原子这些微观粒子的行为，会让我们熟悉的物理定律“翻车”。最近，中国科学院兰州化学物理研究所的科研团队，就首次在固体之间直接观测到了一种全新的现象——量子摩擦。它让摩擦的表现，完全超出了我们平时的想象。

实验突破：

科研人员如何“看到”量子摩擦？

为了捕捉这个神秘的量子摩擦，科研人员们选择了材料科学的“明星”——石墨烯。石墨烯只有一个原子那么薄，却坚硬如钢、导电性能优异，还能被像纸一样被折叠。研究人员用原子力显微镜的探针，就像用一根超细的“纳米手指”去推石墨烯的边缘，把它像折纸一样翻起来。你可以想象成“用世界上最薄的纸片玩叠叠乐”。

在普通的石墨烯边缘上，摩擦力会随着台阶高度增加而稳步增大，这符合经典规律。但在折叠后的石墨烯边缘上，摩擦力的变化却出现了反常：在层数较少时，它的摩擦力增长曲线很奇怪，不是直线，而是呈指数式上升；当层数达到一定值后，它又恢复为正常的线性变化。这个独特的摩擦曲线，正是量子摩擦的标志性信号，也是科研人员们第一次在固体-固体界面上直接看到这种现象。

量子摩擦的奥秘：

材料变形如何让摩擦力“消失”？

这种反常摩擦的背后，是石墨烯折叠后产生的“魔法”——赝磁场。别被名字吓到，这个磁场并不是磁铁那种真正的磁场，而是由石墨烯在折叠时产生的不均匀应变造成的。在电子看来，它的作用就像一个真实的磁场，会迫使电子在材料里绕圈运动，形成一种叫伪朗道能级的量子状态。

在普通情况下，电子的运动类似广场上随意走动的人群，经常碰撞、消耗能量；而在伪朗道能级里，电子变得像排好队、有秩序地行走的人群—碰撞减少，能量消耗自然也少。摩擦力，本质上就是能量耗散的体现，因此会显著下降。这种“电子有序运动”的场景，正是量子摩擦得以出现的根源。

颠覆认知：摩擦不一定越“高”越“强”

在我们的直觉中，越高的台阶、越陡的坡道，越难爬上去；在物理上，这意味着障碍越大，摩擦阻力也越强。但这项研究表明，在量子世界里，决定摩擦大小的，不仅仅是台阶的高度或表面的粗糙度。材料的微观结构、电子的量子态，甚至折叠时的曲率，都会改变摩擦的规律。这就像告诉你，影响一辆车行驶速度的，可能不只是路的坡度，还有交通拥堵情况。

一旦我们能够控制这种“量子状态”，就能制造出在微观尺度上几乎“无摩擦”的材料。例如，让纳米机器人在微小的血管里更自由穿梭，而不被阻力拖慢；或者制造出磨损极小的精密机械部件，大大延长其使用寿命。

结语：量子摩擦会改变未来科技吗？

量子摩擦的发现，不仅是一项基础物理的突破，也可能对工程应用产生深远影响。想象一下，未来的量子计算机中，关键部件或许能在几乎没有能耗的条件下运行；航天器的关键零件可能长时间工作而不易磨损；甚至我们可以制造出像冰面一样顺滑的人工界面，让固体“轻柔”地滑过彼此。

在宏观世界，摩擦是消耗能量的“主要因素”；但在微观世界，科研人员正在尝试通过量子规则重新塑造摩擦，让它从敌人变成朋友。这，也许是下一代低能耗、高效率科技的起点。