Обнаружены электроны с отрицательной массой в полупроводниковых кристаллах

Группа физиков из института Макса Борна (Берлин, Германия) сообщили в статье последнего выпуска журнала Physical Review Letters, что электроны в кристаллах полупроводника имеют отрицательную инертную массу, при сильном ускорении последних в электрическом поле.

Еще в 17 веке Исаак Ньютон установил, что внешняя сила, действующая на какое-либо тело, приводит к ускорению последнего. Инертная масса тела определяется отношением силы, приложенной к данному телу, к ускорению, приобретаемому данным телом. При действии одной и той же силы на разные тела более легкое тело приобретает б'ольшее ускорение.

Масса тела является величиной положительной, означая, что ускорение тела ориентировано в том же самом направлении что и сила. Заряженные элементарные частицы, например свободные электроны, имеют очень малую массу (10-30кг) и могут быть ускорены электрическим полем до чрезвычайно высоких скоростей, близких к скорости света.

Если электрическое поле является малым, то движение электронов в кристаллах подчиняется тем же самым законам. В этом случае масса электрона находящегося внутри кристалла есть малая часть массы свободного электрона.

Исследователи из Института Макса Борна продемонстрировали, что электроны в кристаллах при чрезвычайно высоких электрических полях ведут себя совсем иначе. Их масса становится отрицательной. В своей статье последнего выпуска журнала Physical Review Letters они показали, что электрон ускоренный в пределах чрезвычайно короткого интервала времени, равного 100 фемтосекунд (10-13 c) разгоняется до скорости 4 миллиона километров в час. Впоследствии электрон прибывает в остановку и даже перемещается назад. Это означает, что ускорение ориентировано противоположно направлению силы, что можно только объяснить отрицательной инертнной массой электрона.

В своих экспериментах в полупроводниковом кристалле арсенида галлия электроны ускорялись с помощью короткого электрического импульса с напряженностью электрического поля равной 30 миллионов вольт/метр. При этом измерялась скорость электронов с высокой точностью как функция времени.

Длительность электрического импульса равна 300 фемтосекунд. Чрезвычайная малость продолжительности электрического является важна для проведения эксперимента, поскольку при б'ольшей длительности импульса кристалл может быть просто разрушен.

12403.jpeg Рис. 1. Wilhelm Kuehn при выполнении эксперимента(Фотография Uwe Bellhauser).

Новые результаты согласуются с результатами теоретических вычислений, выполненных Лауреатом Нобелевской премии Феликсом Блохом еще 80 лет тому назад. Данное открытие дает новый режим транспортировки зарядов и новые возможности для создания приборов в микроэлектронике.

Наблюдаемые в эксперименте частоты лежат в террагерцовом диапазоне(1 TГц = 1000 ГГц = 1012Гц), что в 1000 раз больше, чем тактовая частота самых новых ПК.

Результаты исследований представлены в статье

W. Kuehn, P. Gaal, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey. Coherent Ballistic Motion of Electrons in a Periodic Potential. – Physical Review Letters. – 2010; 104 (14): 146602 DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.146602.

Результаты исследований представлены в статье

W. Kuehn, P. Gaal, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey. Coherent Ballistic Motion of Electrons in a Periodic Potential. – Physical Review Letters. – 2010; 104 (14): 146602 DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.146602.

Статья переведена и отредактирована Филипповым Ю.П. по материалам

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (6 votes)
Источник(и):

1. ScienceDaily

2. Membrana.ru