Effekt af elektroner med negativ masse i nye halvledernanostrukturer

Et stort internationalt forskningssamarbejde ledet af Dr. Kai-Qiang Lin og professor John Lupton fra Institute of Experimental and Applied Physics ved University of Regensburg har været i stand til at måle effekten af ​​elektroner med negativ masse i nye halvledernanostrukturer. Det internationale hold omfatter forskere fra Berkeley og Yale (USA), Cambridge (England) og Tsukuba (Japan).

Mange ting i hverdagen ringer kun kendt som positive størrelser, vægten af ​​en genstand, for eksempel. Hvorfor stof altid synes at have positiv masse er et af fysikkens uløste mysterier. Vi er måske i dag næsten blevet vant til begrebet negative renter, men hvad ville der ske, hvis massen kunne blive negativ?

Newtonsk mekanik beskriver konsekvenserne med den velkendte ligning Force=Mass*Acceleration, eller F=m*a. Hvis en kraft virker på en genstand, den accelereres. Men pas på - hvis du prøver at starte en bil med negativ masse, det vil bevæge sig mod dig! Ligeledes, en golfbold med negativ masse, der falder i vandet, ville ikke blive bremset af friktion, men ville i stedet synke hurtigere og hurtigere!

Stof, som vi kender det, er dybest set sammensat af tre elementarpartikler, atomkerner med tunge protoner og neutroner, og lyselektronerne. Generelt, vægten af ​​et legeme bestemmes af atomkernerne. Mens massen af ​​kernerne er en fast størrelse, elektronernes effektive masse bestemmes af sammensætningen af ​​det materiale, de bevæger sig i. Massen påvirker direkte et materiales elektroniske egenskaber.

Vi lærte alle i køreskolen, at bremselængden øges kvadratisk med hastigheden, en anden konsekvens af Newtons formel:en bils bevægelsesenergi stiger med kvadratet af hastigheden v, E=1/2*m*v^2. Hvis massen m var negativ, imidlertid, energien af ​​en partikel såsom en elektron ville falde med stigende hastighed - "bremselængden" falder!

Når en elektron bevæger sig gennem et materiale, kolliderer den ofte med andre elektroner og kerner. Ligesom med at køre bil, sådanne kollisioner fører til en opbremsning af bevægelsen i tilfælde af positiv masse. En elektron med negativ masse, på den anden side, mister også energi, men accelereres derved. Forskerne har nu for første gang kunnet observere netop denne effekt.

Regensburg-forskerne brugte en ny type halvledermateriale, et enkelt atomisk tykt ark af krystalwolframdiselenid. Når materialet bestråles med laser, det begynder at lyse:en elektron absorberer laserens energi og udsender den igen i materialets karakteristiske farve, rød. Denne farve svarer til den fundamentale energi af en elektron i halvlederen. Ligesom vandet altid strømmer ned ad bakke, man ville forvente, at elektroner med højere energi altid har tendens til denne laveste fundamentale energi. Halvlederen skal altid lyse rødt.

Imidlertid, holdet observerede en forbløffende effekt. Ved bestråling med rød laser, elektronerne udsender ikke kun rødt lys, som forventet, men viser også et svagt blåt glimt. Lavenergi rødt lys omdannes derfor til blåt lys med højere energi, en ekstraordinær effekt. Ved at se nøje på farvefordelingen og lysstyrken af ​​dette blå lys, dvs. det optiske spektrum, det kan konkluderes, at den blå glød opstår fra elektroner med negativ masse. Dette uventede eksperimentelle fund kunne underbygges med detaljerede kvantemekaniske beregninger af den elektroniske struktur, som blev udført i denne form for første gang.

På nuværende tidspunkt opdagelsen kan stadig virke som en mere videnskabelig mærkværdighed, men forskerne har allerede en række mulige anvendelser i tankerne. For eksempel, konceptet kan hjælpe udviklingen af ​​superhurtige computere, hvor elektroner bevæger sig næsten uden modstand. Overgangen fra positiv til negativ masse skaber også såkaldte singulariteter. Sådanne singulariteter - kendt fra at forsøge at dividere noget med nul på en lommeregner - er ikke helt ulig kosmologiens sorte huller.

Endelig, på grund af det faktum, at elektronerne i halvlederen tilsyneladende kan antage diskrete energitilstande, som i et atom, det skulle være muligt at overføre begreber om atomær kvanteoptik direkte til halvlederen. Dette kunne bruges, for eksempel, at udvikle nye elektroniske komponenter, der konverterer lysets bølgelængde, lagre eller endda forstærke lys, eller fungere som optiske kontakter.