Reibung atomgenau betrachtet

Die Reibung zwischen Materialoberflächen ist ein Alltagsphänomen, dessen atomare Ursachen noch nicht vollständig geklärt sind. Indem man die Bewegungen einzelner Atome an den reibenden Oberflächen verfolgt, kann man die Entstehung der Reibungswärme beobachten. Weitergehende Erkenntnisse hat jetzt ein Forscherteam am Massachusetts Institute of Technology mit einem Reibungssimulator gewonnen, der aus einer Kette von Atomen und einem Kristall aus Lichtwellen besteht. Über ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichtet.

Bei bisherigen Untersuchungen hatte man nur einzelne Atome an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops über eine Kristalloberfläche gezogen. Dabei trat eine sogenannte Stick-Slip-Bewegung auf. Das bedeutet, das Atom sitzt zunächst in einer Potentialmulde der Kristalloberfläche fest, macht dann aber bei hinreichender Krafteinwirkung einen Sprung in eine Nachbarmulde, wo es wieder zur Ruhe kommt. Die dabei freiwerdende Bewegungsenergie erwärmt den Kristall, sodass Reibungswärme auftritt.

Alexei Bylinskii und seine Kollegen haben nun erstmals beobachtet, wie mehrere Atome, die über eine periodische Anordnung von Potentialmulden gezogen wurden, ihre Bewegungen miteinander abstimmten. Dadurch ließ sich die auftretende Reibungskraft erheblich verringern. Bis zu sechs ultrakalte und ionisierte Ytterbiumatome saßen dazu in einer sogenannten linearen Paul-Falle. Aufgrund ihrer gegenseitigen Abstoßung waren sie in einer Kette angeordnet und bildeten einen eindimensionalen Ionenkristall.

In der Nähe der Atome befand sich eine stehende Lichtwelle, die parallel zum Ionenkristall ausgerichtet war. Sie bildete ein optisches Gitter, das die Atome zu seinen dunklen Bereichen – den Potentialmulden – hinzog. Wurde die Paul-Falle längs des optischen Gitters bewegt, so mussten die Atome die zwischen den Mulden liegenden Potentialberge überwinden. Dabei durchquerten sie die hellen Bereiche des Lichtgitters und leuchteten auf, sodass man erkennen konnte, wann ein Atom von einer Mulde zur anderen sprang. Ihre Bewegungsenergie wurde den Atomen durch Laserkühlung entzogen.

So ermittelten die Forscher, welche Kraft notwendig war, um die Atome über das Lichtgitter zu ziehen. Diese Kraft hing davon ab, wie gut der Ionenkristall und das Lichtgitter miteinander räumlich abgestimmt waren. Bei perfekter Abstimmung standen die Atome und die Potentialmulden in einem einfachen Zahlenverhältnis. In diesem Fall mussten alle Atome gleichzeitig ihre Mulde wechseln, sodass die Kraft besonders groß war. War die Abstimmung jedoch nicht perfekt, so wechselten die Atome nacheinander ihre Mulde. Dabei erleichterte jedes Atom seinem Nachfolger den Muldenwechsel, sodass die nötige Kraft viel kleiner war, was sich schon bei Ketten aus nur drei Atomen zeigte.

Offenbar lässt sich die Stärke der Reibung durch Nanostrukturierung erheblich beeinflussen. Mit dem Simulator wollen die Forscher nun erkunden, wie die Reibung in magnetischen Materialien von der Spinausrichtung abhängt und wie sie sich verändert, wenn die Atome die Potentialmulden nicht überspringen sondern durch sie quantenmechanisch tunneln.