Tutkijat tuovat elektronimassan häiriöihin

Puolijohdekiteissä olevilla elektronilla on negatiivinen massa suurella kiihtyvyydellä

Wilhelm Kühn, MBI, joka säätää kokeilua. © Uwe Bellhäuser
lukea ääneen

Berliinin fyysikot ovat osoittaneet, että puolijohdekiteissä olevat elektronit omaavat negatiivisen massan, kun niitä kiihdyttää voimakkaasti sähkökenttä. Tutkijat esittelevät kokeidensa tulokset Physical Review Letters -lehden nykyisessä numerossa.

Isaac Newton sai selville 1700-luvulla, että voima aiheuttaa kehon kiihtyvyyden. Kehon inertti massa vastaa voiman suhdetta kiihtyvyyteen, toisin sanoen samalla voimalla kevyempi elin kokee suuremman kiihtyvyyden kuin raskaampi. Kehon massa on positiivinen, mikä tarkoittaa kiihtyvyyttä voiman suuntaan. Varatut alkuainehiukkaset, kuten vapaa elektroni, jonka massa on vain 10-30 kilogrammaa, voidaan kiihdyttää erittäin suurille nopeuksille sähkökentissä.

Elektronien liike kiteissä seuraa myös tätä lakia, kunhan sähkökentät ovat pieniä. Tässä tilassa kideelektronilla on massa, joka on vain murto-osa vapaan elektronin massasta.

Erittäin lyhyt kiihtyvyysvaihe

Berliinin tutkijat ovat nyt osoittaneet, että erittäin suurissa sähkökentissä kristallielektronit käyttäytyvät täysin eri tavalla ja niiden massalla on jopa negatiivisia arvoja. Kuten viimeisimmässä Physical Review Letters -numerossa todettiin, elektroni kiihtyi alun perin neljään miljoonaan km / h erittäin lyhyessä kiihtymisvaiheessa, vain 100 femtosekuntia - vastaten 0, 0000000000001 sekuntia.

Sen jälkeen elektroni hidastuu samanlaisessa ajanjaksossa ja kääntää sitten liikesuuntansa. Tämä voimasuuntainen kiihtyvyys voidaan selittää vain hiukkasen negatiivisella inertiaalimassalla. näyttö

Kokeissa puolijohdekidegallium-arsenidissa olevia elektroneja kiihdytetään erittäin lyhyellä sähköisellä pulssilla, jonka kenttävoimakkuus on 30 miljoonaa volttia metriä kohti. Samalla elektronien nopeus mitataan erittäin tarkasti ajan funktiona. Sähköisen pulssin jakso on vain 300 femtosekuntia. Tutkijoiden mukaan tämä erittäin lyhyt kesto vaatii, muuten kide voi tuhota.

Felix Blochin vahvistamat laskelmat

Tutkijoiden mukaan tämä uusi tulos on yhdenmukainen laskelmien kanssa, jotka Nobel-palkinnon voittaja Felix Bloch on jo tehnyt yli 80 vuotta sitten. Se avaa toistaiseksi saavuttamattoman varauskuljetusalueen, joka näyttää uusia näkökulmia tulevaisuuden mikroelektroniikkalaitteille. Havaitut liiketaajuudet ovat terahertseillä - THz = 1000 GHz = 10 korkeaa 12 Hz - ja siten noin 1000 kertaa korkeammat kuin uusimman PC-sukupolven kellotaajuus.

(idw - Forschungsverbund Berliini, 13.4.2010 - DLO)