Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Basel konnte in der Nähe von Ladungsdichtewellen einen starken Energieverlust beobachten, der durch Reibungseffekte verursacht wird. 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