利用两个囚禁原子实现摩擦的速度调控

摩擦是两个表面间基本的、普遍存在的机械相互作用，导致运动阻力和能量耗散。尽管摩擦具有技术和经济意义，我们控制摩擦的能力仍然有限，对微观过程的理解也不完整。在原子尺度上，两个接触晶格之间的失配可导致粘滑摩擦的减小（结构润滑），而热激活的原子运动可引起复杂的速率依赖性，并在足够低的速度下摩擦几乎消失（热润滑）。原子力显微镜已提供了大量实验结果，但在动态范围、时间分辨率以及单原子水平控制方面的限制阻碍了对第一性原理的完整定量描述。在此，我们利用具有单原子、单基底位点空间分辨率和单滑移时间分辨率的离子晶体摩擦模拟器，测量了跨越近五个数量级速度的摩擦力，并在控制温度和耗散的同时连续观察到四种不同机制。我们阐明了两个耦合原子系统中热润滑与结构润滑的相互作用，并基于佩尔斯-纳巴罗势给出了简单的解释。这种在原子尺度上的广泛控制为多原子表面相互作用的基础研究（例如Frenkel-Kontorova模型）铺平了道路，并可能进入量子区域。