Влияние электронов отрицательной массы в новых полупроводниковых наноструктурах

Многие вещи в повседневной жизни кажутся знакомыми только как положительные величины, например, вес предмета. Почему материя всегда имеет положительную массу — одна из нерешенных загадок физики. Возможно, сегодня мы почти привыкли к концепции отрицательных процентных ставок, но что произойдет, если масса станет отрицательной?

Красный лазерный луч падает на атомарно тонкий кристалл WSe2, который преобразует красный свет лазера в синее свечение. Предоставлено: Феликс Хофманн.

Ньютоновская механика описывает последствия с помощью известного уравнения Сила = Масса * Ускорение, или F = m * a. Если на объект действует сила, он ускоряется. Но будьте осторожны — если вы попытаетесь завести машину отрицательной массы с прыжка, она двинется к вам! Точно так же мяч для гольфа с отрицательной массой, падающий в воду, не будет замедляться трением, а вместо этого будет тонуть все быстрее и быстрее!

Материя, как мы ее знаем, в основном состоит из трех элементарных частиц: атомных ядер с тяжелыми протонами и нейтронами и легких электронов. В общем, вес тела определяется атомными ядрами. В то время как масса ядер — фиксированная величина, эффективная масса электронов определяется составом материала, в котором они движутся. Масса напрямую влияет на электронные свойства материала.

Все мы узнали в автошколе, что тормозной путь увеличивается квадратично со скоростью, что является еще одним следствием формулы Ньютона: энергия движения автомобиля возрастает пропорционально квадрату скорости v, E = 1/2 * m * v ^ 2. Однако, если бы масса m была отрицательной, энергия частицы, такой как электрон, уменьшалась бы с увеличением скорости — «тормозной путь» уменьшается!

Когда электрон движется через материал, он часто сталкивается с другими электронами и ядрами. Как и при вождении автомобиля, такие столкновения приводят к замедлению движения в случае положительной массы. С другой стороны, электрон с отрицательной массой также теряет энергию, но тем самым ускоряется. Теперь исследователи впервые смогли наблюдать именно этот эффект.

Ученые из Регенсбурга использовали новый тип полупроводникового материала — одиночный лист атомарной толщины из кристаллического диселенида вольфрама. Когда материал облучается лазером, он начинает светиться: электрон поглощает энергию лазера и снова излучает ее в характерном для материала цвете — красном. Этот цвет соответствует основной энергии электрона в полупроводнике. Так же, как вода всегда течет вниз, можно было бы ожидать, что электроны с более высокой энергией всегда будут стремиться к этой самой низкой основной энергии. Полупроводник всегда должен светиться красным.

Однако команда наблюдала поразительный эффект. При облучении красным лазером электроны излучают не только красный свет, как и ожидалось, но также проявляют слабое голубое мерцание. Таким образом, красный свет с низкой энергией преобразуется в синий свет с более высокой энергией, что дает необычный эффект. Присмотревшись к цветовому распределению и яркости этого синего света, то есть к оптическому спектру, можно сделать вывод, что голубое свечение возникает от электронов с отрицательной массой. Этот неожиданный экспериментальный результат может быть подтвержден подробными квантово-механическими расчетами электронной структуры, которые были выполнены в такой форме впервые.

В настоящее время открытие может показаться скорее научной диковинкой, но ученые уже имеют в виду ряд возможных применений. Например, эта концепция может помочь в разработке сверхбыстрых компьютеров, в которых электроны движутся почти без сопротивления. Переход от положительной массы к отрицательной также создает так называемые сингулярности. Такие особенности — знакомые по попыткам разделить что-либо на ноль на калькуляторе — не совсем отличаются от черных дыр в космологии.

Наконец, из-за того факта, что электроны в полупроводнике, по-видимому, могут принимать дискретные энергетические состояния, как в атоме, должна быть возможность перенести концепции атомной квантовой оптики непосредственно на полупроводник. Это может быть использовано, например, для разработки новых электронных компонентов, которые преобразуют длину волны света, сохраняют или даже усиливают свет или функционируют как оптические переключатели.