Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.11.2016

Simulationen liefern neue Erkenntnisse über die Friktionseigenschaften von Graphen – Publikation in Nature

Die Reibungseigenschaften des zweidimensionalen Kohlenstoffs Graphen haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie in China und den USA anhand von Simulationen untersucht. Bei Kontakt mit einschichtigem Graphen ist die Reibung stärker als bei mehrschichtigem Graphen oder Graphit. Zudem steigt die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten. Dies erklären die Forscher mit der echten Kontaktfläche sowie der sich entwickelnden Kontaktqualität. Sie berichten in der Zeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/nature20135)

Wenn Grenzflächen von Festkörpern sich berühren und gegeneinander bewegen, tritt Reibung auf. Energie wird dabei in Wärme umgewandelt, die ungenutzt verloren geht. Außerdem kommt es durch Reibung zu Abrieb und Verschleiß. Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, beispielsweise in Automobilen oder Industriemaschinen, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten.

Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. Graphit besteht theoretisch aus mehreren, leicht versetzt übereinandergelegten Schichten von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur: Es besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken wie Bienenwaben angeordnet sind. Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen.

Experimente haben gezeigt, dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder bei Graphit und dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Die Gründe dafür waren bisher nicht geklärt. Wissenschaftler am Institut für Angewandte Materialien (IAM) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben nun gemeinsam mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, der Xi’an Jiaotong University/China, der Tsinghua University in Beijing/China, dem Massachusetts Institute of Technology/USA und der University of Pennsylvania/USA die Experimente in atomistischen Simulationen reproduziert und sind dabei zu neuen Erkenntnissen über die schichtenabhängige Reibung und den Anstieg der Reibungskraft bei Graphen gelangt. Die Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift Nature vor.

Bei den Simulationen ließen die Wissenschaftler eine Siliziumspitze über Graphen gleiten, das auf einem amorphen, das heißt nicht kristallinen Siliziumsubstrat aufgebracht war. Bisherige Arbeiten hatten angenommen, dass die Reibung zwischen Grenzflächen von der echten Kontaktfläche abhängt – der Zahl der Atome in dem Bereich, in dem interatomare Kräfte wirken –, und hatten die stärkere Reibung bei einschichtigem Graphen auf die größere echte Kontaktfläche zurückgeführt. Wie die Wissenschaftler des KIT und ihre Kollegen nun feststellten, spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität.

Das dünnere und weniger fest gefügte einschichtige Graphen tendiert aufgrund seiner größeren Flexibilität dazu, seine Konfiguration immer neu einzustellen. So haften die Kohlenstoffatome stärker an den Atomen der Siliziumspitze und zeigen eine größere Synchronizität in ihrem Haft-Gleit-Verhalten. Die Kontakte auf der atomaren Skala nehmen quantitativ – was die Fläche betrifft – und qualitativ – was die Reibungskraft betrifft – zu. „Mit unserem Konzept der sich entwickelnden Kontaktqualität lässt sich erklären, warum sich die Reibung bei Grenzflächen mit lockerer Struktur über die Zeit verändert“, erklärt Dr. Suzhi Li vom IAM – Computational Materials Science des KIT. (or)

Publikation:
Suzhi Li, Qunyang Li, Robert W. Carpick, Peter Gumbsch, Xin Z. Liu, Xiangdong Ding, Jun Sun & Ju Li: The evolving quality of frictional contact with graphene. Nature, 2016. DOI: 10.1038/nature20135

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2016

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Diejenigen Abläufe in der Quantenwelt präzise zu steuern, die Informationen speicher- und lesbar machen, ist außerordentlich herausfordernd. Physikern der Universität des Saarlandes um Professor Christoph Becher ist es nun gelungen, ein Quantenbit, das als Grundlage für die Informationsspeicherung dient, blitzschnell und vollständig zu kontrollieren. Da solche Quantenbits sehr instabil und kurzlebig sind, mussten sie dafür einen Laserpuls nutzen, der nur eine billionstel Sekunde lang ist. Ihre Methode haben sie in der heutigen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nature Communications beschrieben.

Quantencomputer versprechen Lösungen für Rechenprobleme, die heutige, konventionelle Großrechner noch in die Knie zwingen oder ihnen zumindest extrem lange Rechenzeiten abverlangen. Ein Quantencomputer kann bestimmte mathematische Probleme erheblich effizienter lösen als heutige Rechner und so z.B. für Simulationen im Bereich der Wirkstoffentwicklung oder Materialforschung von unschätzbarem Wert sein.

Dahinter steckt die Informationsverarbeitung mit Qubits. Nehmen die Bits in heutigen Rechnern die Zustände 0 oder 1 ein, können Quantenbits beide Zustände gleichzeitig, einen so genannten Überlagerungszustand, einnehmen. Auf diese Weise können Rechenoperationen in Quantencomputern um ein Vielfaches schneller ablaufen – theoretisch. Denn noch ist die Kontrolle solcher Quantenbits extrem schwierig. Das liegt unter anderem an der sehr kurzen Zeitspanne, in denen ein Quantenbit zwei Zustände gleichzeitig innehat. Diese so genannte Kohärenzzeit beträgt bei den Quantenbits, die Saarbrücker Physiker erforschen, gerade einmal 45 Nanosekunden, das sind 45 milliardstel Sekunden. Dennoch ist es den Saarbrücker Forschern nun gelungen, ein Quantenbit auch in dieser extrem kurzen Zeitspanne vollständig zu kontrollieren.

Dazu nutzte Doktorand Jonas Becker aus Christoph Bechers Team spezielle Laser, mit denen er gezielt beliebige Überlagerungszustände  in einem sogenannten Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum (SiV), das als Quantenbit fungiert, erzeugen konnte. „Aufgrund dessen spezieller elektronischer Struktur konnten wir ultrakurze Laserpulse von nur knapp einer Pikosekunde, das ist eine billionstel Sekunde, zur Kontrolle zu nutzen. Dies erlaubt Quanteninformationsverarbeitung mit extrem hoher Geschwindigkeit und ermöglicht es, tausende von Rechenoperationen innerhalb der Kohärenzzeit des SiV durchzuführen“, erklärt Becker.

Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum ist ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines ansonsten hochreinen künstlichen Diamanten, der aus reinem Kohlenstoff besteht. Statt des gewohnten Kohlenstoffatoms befindet sich an einer Stelle des Gitters ein Silizium-Atom. Im Gegensatz zum Diamant selbst wechselwirken solche Defekte oftmals sehr stark mit Licht. Daher ist es möglich, den internen Quantenzustand dieser Zentren mithilfe von Lasern gezielt zu verändern und auf diese Weise Information zu speichern. „Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum in Diamant ist ein sehr vielversprechender Kandidat für Anwendungen der Quantentechnologien“ erklärt Jonas Becker. „Wir können viele solcher Zentren auf kleinstem Raum durch Beschuss eines hochreinen Diamanten mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugen. Die sehr guten optischen Eigenschaften des Zentrums erlauben zudem eine effiziente optische Vernetzung der Defekte und die Kontrolle einzelner SiVs in Systemen mit mehreren Quantenbits, da wir die Laser mit hoher räumlicher Auflösung auf einzelne Zentren fokussieren können“, so Becker weiter.

In zukünftigen Arbeiten können die hier entwickelten Kontrolltechniken genutzt werden, um konkrete Bausteine für Quantenkommunikations-Anwendungen zu realisieren, wie etwa Systeme zum Speichern von Quanteninformation sowie Schnittstellen zwischen Quantenbits und Licht.

Publikation:
„Ultrafast all-optical coherent control of single silicon vacancy colour centres
in diamond“, 14. November 2016, Fachzeitschrift Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms13512.

Externer Link: www.uni-saarland.de