Mit lasergekühlten Ionen Reibung besser verstehen

  • 13. July 2017

Modellsystem für die atomgenaue Unter­suchung von Reibungs­phäno­menen entwickelt.

Reibung: Bei der Bremse des Autos ist sie erwünscht, anderswo stört sie eher. Auf jeden Fall ist es gut, möglichst genau zu wissen, wie Reibungs­phäno­mene zustande kommen – und das nicht nur im Großen, etwa im Maschinen­bau, sondern auch auf mikro­sko­pischer Ebene, etwa in der Bio­logie und in der Nano­techno­logie. Doch war es bisher schwierig, Reibung dort zu erforschen, wo alles atomar klein wird und zudem nicht­lineare Effekte im Vorder­grund stehen. Nun haben Forscher der Physi­ka­lisch-Tech­nischen Bundes­anstalt ein Modell­system präsen­tiert, mit dem sie atom­genau Reibungs­effekte und -dynamik unter­suchen können, die denen in Proteinen, DNS-Strängen oder anderen defor­mier­baren Nano­struk­turen ähnlich sind. Das Modell­system besteht aus laser­ge­kühlten Ionen, die Coulomb-Kristalle bilden. Mit ihnen haben die Forscher experi­mentell und in zusätz­lichen Simu­lations­rech­nungen grund­legende Erkennt­nisse über Reibungs­vor­gänge in atomaren Systemen gewonnen.

Reibungs-Experiment

Abb.: Schema des Experiments: Dreißig Ytterbium-Ionen werden in einer linearen Paul-Falle gefangen. Laser 1 beleuchtet den gesamten Kristall und bringt ihm zum Fluores­zieren. Das Licht wird mit einem hoch­auf­lösenden Objektiv einge­sammelt und auf eine Kamera abge­bildet. Laser 2 wird auf eine der beiden Ketten ausge­richtet, sodass zwischen ihnen eine differen­zielle Licht­kraft wirkt. (Bild: PTB)

Die meisten makroskopischen Objekte sind atomar gesehen rau. Auch wenn sie sich für uns glatt anfühlen, zeigen sie Uneben­heiten auf. Genau genommen liegen zwei Objekte nicht direkt auf­ein­ander, sondern sie berühren sich nur an diesen Uneben­heiten. Daher spielt die atomare Gitter­struktur keine Rolle. Anders sieht es in der atomaren Welt aus, etwa bei Nano­maschinen oder Bio­mole­külen. „Hier liegen atomar glatte Flächen auf­ein­ander. Dann spielt auch die Fläche eine Rolle und muss bei den Modell­rech­nungen berück­sich­tigt werden“, erklärt Tanja Mehl­stäubler von der PTB. „Diese Modelle erklären auch faszi­nie­rende Phäno­mene wie das der Super­schmier­fähig­keit, bei dem sich die Haft­reibung fast voll­ständig auf­löst. Sie tritt auf, wenn zwei kristal­line Ober­flächen zuein­ander inkommen­surabel sind. Das heißt, dass das Ver­hältnis der Gitter­abstände der glei­tenden Flächen irra­tional ist. Dies führt dazu, dass es keinen Ort gibt, an dem die beiden Flächen genau zuein­ander passen.“

Es gibt also Gründe genug, Reibung in der atomaren Welt möglichst gut zu messen und ihre Dynamik erforschen zu wollen. „Der direkte Zugriff auf die Dynamik zweier rei­bender Systeme ist experi­mentell nahezu unmög­lich. Daher braucht man Modell­systeme, in denen man die Atome zeit­lich und räum­lich gut kontrol­lieren kann, um sie zu unter­suchen“, erklärt Mehl­stäubler. Ein solches System haben die PTB-Forscher zusammen mit Kollegen aus Sydney jetzt vorge­stellt: Sie kühlen in einer Ionen­falle gefan­gene Ytter­bium­ionen mit­hilfe von Lasern soweit – näm­lich auf ein paar Milli­kelvin – herunter, bis sie einen Kristall bilden, der aus zwei Ketten besteht. Die Ionen ordnen sich so an, dass der nächste Nach­bar immer am weitesten ent­fernt ist.

Zwei solcher Ionenketten bilden sehr gut die beiden Partner eines Reibungs­vor­ganges ab – und können dabei auch noch sehr genau beob­achtet werden. Denn wenn man die Ytter­bium­ionen mit Licht bestrahlt, dessen Frequenz in der Nähe ihrer Resonanz­frequenz liegt, dann fluores­zieren sie. „So können wir mit­hilfe unserer Abbil­dungs­optik die einzelnen atomaren Teilchen in ihrer Bewegung beob­achten“, erläutert Jan Kiethe von der PTB. Dabei wurde ein Über­gang zwischen zwei unter­schied­lichen Phasen beob­achtet und analy­siert, der durch die Präsenz eines struk­tu­rellen Gitter­defekts ausge­löst wurde. In einem Regime domi­niert die Haft­reibung den Ladungs­trans­port, im anderen die Gleit­reibung.

Die Dynamik der Ionenketten ist vergleichbar mit der von Molekül­ketten, wie sie zum Beispiel in der DNS vor­liegen. Damit haben die Forscher ein physi­ka­lisches Modell­system geschaffen, mit dem sich in Zukunft die komplexe Dynamik der Reibung in 1- ,2- und 3-D-Systemen atomar genau unter­suchen lässt, und darüber hinaus die Erfor­schung von Trans­port­phänomenen in der Quanten­welt eröffnet.

PTB / RK

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