Elektronista kitkaa voidaan säätää ja kytkeä pois päältä

Tekniikassa kitka aiheuttaa materiaalien kulumista ja heikkenemistä ajan myötä, ja se myös aiheuttaa hyödyllisen energian hukkaa lämpönä. Vaikka tätä ongelmaa voidaan lieventää voiteluaineilla ja tasaisemmilla pinnoilla, kitka voi johtua myös syvemmistä, hienovaraisemmista vaikutuksista.

Näihin kuuluu ilmiö, joka voi esiintyä metallisilla tai kemiallisesti aktiivisilla pinnoilla niiden liukuessa toistensa ohi. Näissä tapauksissa yhden pinnan atomiytimet voivat siirtää osan energiastaan toisen pinnan elektroneille, jolloin ne virittyvät korkeammille energiatasoille. Tämä menetetty energia tuottaa vastusvoiman, joka kasvaa liukumisnopeuden myötä: ilmiö, joka tunnetaan nimellä "elektroninen kitka".

Tähän mennessä tätä ilmiötä on osoittautunut vaikeaksi tutkia, koska sitä ei voida helposti erottaa fononisesta kitkasta: tunnetummasta mekanismista, jonka synnyttävät atomitason värähtelyt, jotka myös haihduttavat liikkuvien pintojen energiaa.

Vaikka fononinen kitka ymmärretään hyvin anharmonisen hiladynamiikan kautta, elektronisen kitkan fysiikka on edelleen epäselvää johtuen haasteista erottaa elektroniset ja fononiset vapausasteet kokeissa ja analysoida teoriassa ioniliikkeen ja elektronisen dynamiikan välisiä epätasapainon vuorovaikutuksia.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijat rakensivat liukuvan rakennemekanismin, jossa on 2D-kiteiset rajapinnat, joilla on erittäin sileät ja minimaalisesti vuorovaikutuksessa olevat pinnat, saavuttaen rakenteellisen superlubriteetin tilan ilman kulumista ja minimaalisella kitkalla.

Sähköisten ja mekaanisten ohjainten avulla tutkijat virittivät rajapintojen elektronisen kytkennän luonnetta ja varaustiheyksiä materiaaleissa kyseisellä laitteella, mikä mahdollisti elektronien ja fononien osuuksien erottamisen kitkasta.

Kokeelliset tiedot ja teoreettinen analyysi, joita tukevat ensimmäisten periaatteiden laskelmat, osoittavat, että elektroninen kitka voi ylittää selvästi fononiset osuudet ja hallita energian häviötä rakenteellisissa superlubriteetin kosketuskohdissa.

Nämä havainnot tarjoavat uusia näkemyksiä elektronisen kitkan mekanismista ja lupaavia mahdollisuuksia kitkan hallintaan piirirakenteiden sovelluksissa toteavat tutkijat tutkimustyönsä lyhennelmässä.

Aiheesta aiemmin:

Supervoitelu mahdollistaa nopeat muistipiirit

Kun kvanttikaasut kieltäytyvät noudattamasta sääntöjä

Nanohuokoinen pii tuottaa sähköä kitkasta veden kanssa