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Lasergekühlte Ionen helfen, Reibung besser zu verstehen

Physik unterstützt Biologie: PTB-Forscher entwickeln Modellsystem, um Reibungsphänomene atomgenau zu untersuchen

13.07.2017

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 dies 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 des QUEST-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ein Modellsystem präsentiert, mit dem sie atomgenau Reibungseffekte und -dynamik untersuchen können, die denen in Proteinen, DNA-Strängen oder anderen deformierbaren Nanostrukturen ähnlich sind. Das Modellsystem besteht aus lasergekühlten Ionen, die sogenannte Coulomb-Kristalle bilden. Mit ihnen haben die Forscher experimentell und in zusätzlichen Simulationsrechnungen grundlegende Erkenntnisse über Reibungsvorgänge in atomaren Systemen gewonnen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie im Fachmagazin Nature Communications.

a) Schema des Experiments: 30 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. b) Schema des Modellsystems: Die Ionen wechselwirken untereinander und mit der Falle über Federn. Durch einen strukturellen Defekt sind die Abstände a1 und a2 diskrepant zueinander. (Abb.: PTB)

Nur wenige physikalische Phänomene prägen unsere Welt und unser technisches Leben so umfassend wie Reibungsphänomene: Ohne Haftreibung würde schon unser Alltag nicht funktionieren. Sie sorgt dafür, dass Gegenstände, die wir greifen, uns nicht gleich wieder entgleiten und dass wir fest auf dem Boden stehen. Ohne Reibung (Friktion) könnte man kein Fahrzeug antreiben, denn die Räder würden durchdrehen. Soweit die positiven Aspekte der Reibung. Negative Effekte gibt es natürlich auch: Ohne Reibung würden keine Erdbebenrisse entstehen, würden bewegte Maschinenteile nicht abnutzen und vieles mehr.

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 PTB-Physikern Tanja E. Mehlstäubler „Diese Modelle erklären auch faszinierende Phänomene wie das der Superlubricity (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. Fürs Messen existiert ein leistungsfähiges Instrument: das Reibungskraftmikroskop. Der zweite Punkt ist kompliziert: „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. Man spricht von einem Zigzag.

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 der PTB-Physiker Jan Kiethe, Erstautor der Studie. Dabei wurde ein Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Phasen beobachtet und analysiert, der durch die Präsenz eines strukturellen Gitterdefektes 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.

Das Projekt wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (Förderung ME 3648/1-1), den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und den EPSRC national Quantum Technology Hub in Networked Quantum Information Processing. es/ptb  

Ansprechpartnerin

PD Dr. Tanja E. Mehlstäubler, QUEST-Institut in der PTB, Telefon: (0531) 592-4710,
E-Mail: tanja.mehlstaeubler@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung

J. Kiethe, R. Nigmatullin, D. Kalincev, T. Schmirander, T. E. Mehlstäubler: Probing nanofriction and Aubry-type signatures in a finite self-organized system. Nature Communications 8: 15364 (2017), DOI: 10.1038/ncomms15364