Analytical expressions for the kinetic friction in the Prandtl-Tomlinson model

物理 动能 能量(信号处理) 数学物理 凝聚态物理 量子力学
作者
Enrico Gnecco,Raphael Roth,A. Baratoff
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:86 (3) 被引量:49
标识
DOI:10.1103/physrevb.86.035443
摘要

Analytical expressions are presented for the motion of a point mass driven on a periodic potential by a lateral spring, approximating an atomically sharp tip rubbing over a crystal surface. The tip position before and after jumping between two consecutive minima, the kinetic friction force ${F}_{\mathrm{kin}}$, and the energy barrier $\ensuremath{\Delta}E$ preventing the tip jumps are expressed in terms of a parameter $\ensuremath{\eta}$, which is the ratio between the maximum curvature of the substrate potential and the elastic spring constant. In the two limiting cases of $\ensuremath{\eta}\ensuremath{\rightarrow}1$ (superlubric transition) and $\ensuremath{\eta}\ensuremath{\gg}1$, we demonstrate that ${F}_{\mathrm{kin}}\ensuremath{\propto}{(\ensuremath{\eta}\ensuremath{-}1)}^{2}$ and ${F}_{\mathrm{kin}}\ensuremath{\propto}\ensuremath{\eta}$, respectively. We also show that the relation $\ensuremath{\Delta}E\ensuremath{\propto}{({F}_{c}\ensuremath{-}F)}^{3/2}$, which is valid in the case of a strong interaction, is replaced by $\ensuremath{\Delta}E\ensuremath{\propto}{(F\ensuremath{-}{F}_{c})}^{3}$ close to the superlubric transition. The proportionality coefficients are determined in all cases. The case of multiple jumps is also studied, and numerical results reproducing the influence of the finite temperature and the viscous damping accompanying the tip slippage are shown.
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