Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak se často uvádí, v grafenu a podobných materiálech se elektrony chovají, jako by měly nulovou efektivní hmotnost. Tím ale podivnosti zdaleka nekončí. V nově připravených nanostrukturách mají mít elektrony rovnou hmotnost zápornou.
Na výzkumu se podíleli vědci z University of Regensburg (Řezno), Berkeley, Yale, Cambridge a Tsukuba (Japonsko). Co si pod zápornou (efektivní) hmotností má člověk představit? Tak třeba síla a odpovídající zrychlení mají opačnou velikost (směr). Golfový míček o záporné hmotností bude po pádu do vody třením urychlen. Pro elektron pohybující se materiálem z toho dále vyplývá, že při záporné hmotnosti by jeho energie s rychlostí dále klesala (rostla záporná hodnota) a brzdná dráha se snižovala. Právě to měli vědci přímo (poznámka: i když viz dále, čemu to „přímo“ zase odpovídá) pozorovat. Když se elektron pohybuje materiálem, často se sráží s jinými elektrony nebo atomovými jádry. Normálně vedou tyto srážky ke zpomalení pohybu. Elektron se zápornou hmotností byl ale naopak srážkami urychlován (respektive: protože byl urychlován, přiřadíme mu zápornou efektivní hmotnost).
Materiálem, v němž byla tato podivnost objevena, byla atom tlustá vrstva selenidu wolframičitého WS2. Jak vysvětluje průvodní tisková zpráva University of Regensburg, je-li tento materiál ozářen laserem, začne sám zářit: elektrony absorbuje energii laseru a opět ji vyzařují v charakteristické barvě materiálu, červené, což odpovídá základnímu stavu elektronu. Ukázalo se ale, že při ozáření červeným laserem vyzařují elektrony nejen červené světlo, jak se očekávalo, ale vykazují také slabý modrý záblesk. Nízkoenergetické červené světlo se tedy mění na modré světlo s vyšší energií, což je mimořádný efekt. Při bližším zkoumání rozložení barev a jasu tohoto modrého světla (optického spektra) vědci došli k závěru, že modré záření vydávají právě elektrony se zápornou hmotností.
Elektrony, které se místo zpomalování zrychlují, by samozřejmě mohly představovat základ ultrarychlých počítačů. I když spekulovat v tuto chvíli o možném využití celého jevu je možná předčasné. Ono vůbec už celý jev popsat matematicky je problém, protože při přechodu elektronu ze záporné na kladnou hmotnost vznikají singularity. Formálně jsou prý rovnice ne nepodobné popisům černých děr.
Kai-Qiang Lin et al, Narrow-band high-lying excitons with negative-mass electrons in monolayer WSe2, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25499-2
Zdroj: University of Regensburg / Phys.org
Poznámky PH:
Chápu-li dobře, zápornou hmotnost nemají tedy ve WSe2 všechny elektrony, ani všechny elektrony ve vodivostním pásu („volné“ apod.).
Jinak předpokládáme-li, že to výše popsaným způsobem funguje, singularita nijak nebrání tomu, aby se materiál choval „celkově normálně“; nejde o nějaký „kolaps fyzikálních zákonů“, ale našich (stávajících) matematických popisů.
Nulová efektivní hmotnost umožňuje elektronům pohybovat se (téměř, respektive řekněme, že hmotnost je skoro nulová) rychlostí světla. Záporná nikoliv, pouze urychlování a zpomalování zde funguje naopak.
A neni to princip antihmoty?
To ne. Vsechny dosud pozorovane anticastice maji kladnou klidovou hmotnost i hybnost. Jestli to spravne chapu, zapornou hmotnosti se zde mysli pouhe znaminko minus pred hmotnosti castice aby zbytek rovnice fungoval.
Takže nabitím takového polovodiče velkým množstvím elektronů získáme předmět se zápornou hmotností? To je průlom v oblasti antigravitace, ne?
no… si to predstavuju jako kvazicastici, elektron s okolim, a proste do jiste miry jako matematicke hracky (asi jako zaporna termodynamicka teplota). ale samozrejme predstavy laika…