a) 30 ions ytterbium sont piégés dans un piège radiofréquence linéaire. Le laser 1 irradie tout le cristal et le rend fluorescent. Cette lumière est collectée au moyen d'un objectif à haute résolution et imagée sur une caméra. Le laser 2 est aligné sur l'une des chaînes, de sorte qu'une force lumineuse différentielle agit entre eux. b) Représentation schématique du système modèle :Les ions interagissent entre eux et avec le piège via des ressorts. En raison d'un défaut structurel, les espacements a1 et a2 ne correspondent pas. Crédit :PTB
En physique, il est utile de savoir le plus précisément possible comment se produisent les phénomènes de frottement - et pas seulement à l'échelle macroscopique, comme en génie mécanique, mais aussi à l'échelle microscopique, dans des domaines tels que la biologie et la nanotechnologie. Il est assez difficile d'étudier le frottement à l'échelle de l'atome où les effets non linéaires prévalent.
Des scientifiques de l'institut QUEST du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ont maintenant présenté un système modèle qui permet d'étudier les effets de friction à l'échelle atomique et la dynamique de friction qui sont similaires à ceux qui se produisent dans les protéines, Brins d'ADN et autres nanocontacts déformables. Ce système modèle est constitué d'ions refroidis par laser qui s'organisent en cristaux de Coulomb. Les chercheurs ont réalisé des expériences et des simulations numériques et obtenu de nouvelles découvertes fondamentales sur les processus de frottement dans ces systèmes atomiques. Ils ont maintenant présenté leurs résultats dans la revue scientifique Communication Nature .
La plupart des objets macroscopiques ont une texture rugueuse d'un point de vue atomique. Même s'ils sont doux au toucher, ils présentent des aspérités. À proprement parler, deux objets ne reposent jamais directement l'un sur l'autre, mais ne se touchent qu'à ces aspérités. La structure du réseau atomique ne joue donc aucun rôle dans cette interaction. C'est assez différent pour les objets à l'échelle atomique, comme les nanomachines ou les biomolécules. "Ici, les surfaces atomiquement lisses se touchent. La surface joue donc aussi un rôle et doit être prise en compte dans les calculs des modèles, " explique la physicienne du PTB Tanja E. Mehlstäubler. " Ces modèles expliquent également des phénomènes fascinants tels que la superlubrification, où le frottement statique devient presque inexistant. Il se produit lorsque deux surfaces cristallines sont incommensurables l'une par rapport à l'autre. Cela signifie que le rapport des espacements de treillis des surfaces de glissement est irrationnel. Cela conduit à ce qu'il n'y ait aucun endroit où les deux surfaces correspondent exactement l'une à l'autre."
Il y a donc suffisamment de raisons de mesurer précisément le frottement à l'échelle nanométrique et d'étudier sa dynamique. Un instrument puissant existe déjà pour mesurer le frottement, le microscope à force de friction. "L'accès expérimental direct à la dynamique d'un système de friction est quasiment impossible. Des systèmes modèles dans lesquels les atomes sont facilement contrôlables - à la fois temporellement et spatialement - sont donc indispensables. Cela nous permet de les étudier, " explique Mehlstäubler. Un tel système vient d'être présenté par les scientifiques du PTB, avec leurs partenaires de Sydney. Les ions ytterbium conservés dans un piège à ions sont refroidis au moyen de lasers à un point tel (jusqu'à quelques millikelvins) qu'ils forment un cristal constitué de deux chaînes. Les ions s'arrangent de telle sorte que le voisin le plus proche soit toujours le plus éloigné possible. Cette structure s'appelle un zigzag.
Deux de ces chaînes d'ions sont une représentation très précise des deux partenaires d'un processus de friction et elles sont faciles à observer très précisément. Lorsque les ions ytterbium sont irradiés avec une lumière dont la fréquence est proche de leur fréquence de résonance, ils commencent à devenir fluorescents. "Nous sommes ainsi en mesure d'observer les particules atomiques individuelles dans leur mouvement grâce à notre optique d'imagerie, " ajoute Jan Kiethe, un physicien au PTB et le principal auteur de l'étude. Une transition entre deux phases différentes, qui a été causée par la présence d'un défaut structurel du réseau, a été observé et analysé ici. Dans l'un des régimes, le frottement statique est le principal acteur de la dynamique de transport; dans l'autre régime, c'est un frottement de glissement.
La dynamique des chaînes ioniques est comparable à celle des chaînes moléculaires comme l'ADN. Dans leur étude, les scientifiques ont créé un système de modèle physique pour étudier la dynamique complexe du frottement en 1D, Systèmes 2D et 3D avec précision atomique. De plus, ce système modèle a ouvert la voie à l'étude des phénomènes de transport dans le régime quantique.
