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

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer