Reibung im Nanometerbereich: Hohe Energieverluste in der Nähe von Ladungsdichtewellen

Die schwingende Spitze eines Rasterkraft-Mikroskops in der Nähe einer Ladungsdichtewelle (charge density wave, CDW) über der Oberfläche einer Schichtstruktur aus Niob- und Selen-Atomen.<br><br>Universität Basel<br>

Dies könnte praktische Bedeutung für die Kontrolle von Reibung im Nanometerbereich haben. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nature Materials» veröffentlicht.

Reibung wird oft als nachteiliges Phänomen betrachtet, das zu Verschleiss führt und Energieverluste verursacht. Umgekehrt kann aber auch zu wenig Reibung unvorteilhaft sein, zum Beispiel beim Laufen auf Eisflächen oder beim Fahren auf nasser Strasse.

Das Verständnis von Reibungseffekten ist deshalb von grosser Bedeutung – auch in der Nanotechnologie, wo Reibung im Nanometerbereich kontrolliert werden soll. Einen Beitrag, wie Reibung in mikroskopischen Dimensionen funktioniert, leistet nun eine neue Studie von Forschern der Universität Basel, der Universität Warwick, des CNR-Instituts SPIN in Genua sowie des Internationalen Zentrums für Theoretische Physik (ICTP) in Triest.

Für ihr Experiment liessen die Wissenschaftler um den Basler Experimentalphysiker Prof. Ernst Meyer die nanometerfeine Spitze eines Rasterkraftmikroskops über die Oberfläche einer Schichtstruktur aus Niob- und Selen-Atomen vibrieren. Diese Verbindung verwendeten sie aufgrund ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften; insbesondere bilden sich darin bei extrem tiefen Temperaturen sogenannte Ladungsdichtewellen. Dadurch sind die Elektronen nicht mehr wie in einem Metall gleichmässig verteilt, sondern es bildet sich Gebiete, in denen die Elektronendichte zwischen hoch und tief schwankt.

Energieverluste in der Nähe von Ladungsdichtewellen

In der Nähe solcher Ladungsdichtewellen registrierten die Forscher sehr hohe Energieverluste zwischen der Oberfläche und der Spitze des Rasterkraftmikroskops, selbst bei relativ grossen Abständen von mehreren Atomdurchmessern. «Der Energieabfall war so stark, als wäre die Spitze plötzlich in eine zähe Flüssigkeit geraten», beschreibt Meyer den Reibungseffekt.

Diese Energieverluste konnten die Forscher nur bei Temperaturen unterhalb 70 Kelvin (-203°C) beobachten. Da Ladungsdichtwellen bei höheren Temperaturen nicht existieren, werteten sie dies als Indiz dafür, dass Reibungskräfte zwischen Messnadel-Spitze und Ladungsdichtewellen die Energieverluste verursachen.

Das theoretische Modell zeigt, dass die hohen Energieverluste durch eine Serie von lokalen Phasenverschiebungen der Ladungsdichtewellen verursacht werden. Dieses neu entdeckte Phänomen könnte praktische Bedeutung für die Nanotechnologie haben, zumal sich der Reibungseffekt in Abhängigkeit von Abstand und Spannung modulieren lässt.

Originalbeitrag
Markus Langer, Marcin Kisiel, Rémy Pawlak, Franco Pellegrini, Giuseppe E. Santoro, Renato Buzio, Andrea Gerbi, Geetha Balakrishnan, Alexis Baratoff, Erio Tosatti and Ernst Meyer
Giant frictional dissipation peaks and charge-density-wave slips at the NbSe2 surface

Nature Materials, published online 15.12.2013 | doi: 10.1038/NMAT3836

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Neues topologisches Metamaterial

… verstärkt Schallwellen exponentiell. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am niederländischen Forschungsinstitut AMOLF haben in einer internationalen Kollaboration ein neuartiges Metamaterial entwickelt, durch das sich Schallwellen auf völlig neue Art und Weise…

Astronomen entdecken starke Magnetfelder

… am Rand des zentralen schwarzen Lochs der Milchstraße. Ein neues Bild des Event Horizon Telescope (EHT) hat starke und geordnete Magnetfelder aufgespürt, die vom Rand des supermassereichen schwarzen Lochs…

Faktor für die Gehirnexpansion beim Menschen

Was unterscheidet uns Menschen von anderen Lebewesen? Der Schlüssel liegt im Neokortex, der äußeren Schicht des Gehirns. Diese Gehirnregion ermöglicht uns abstraktes Denken, Kunst und komplexe Sprache. Ein internationales Forschungsteam…

Partner & Förderer