Een grote internationale onderzoekssamenwerking onder leiding van Dr. Kai-Qiang Lin en professor John Lupton van het Institute of Experimental and Applied Physics aan de Universiteit van Regensburg heeft het effect van elektronen met negatieve massa in nieuwe halfgeleider-nanostructuren kunnen meten. Het internationale team bestaat uit wetenschappers van Berkeley en Yale (VS), Cambridge (Engeland) en Tsukuba (Japan).

Veel dingen in het dagelijks leven klinken alleen bekend als positieve grootheden, het gewicht van een voorwerp, bijvoorbeeld. Waarom materie altijd een positieve massa lijkt te hebben, is een van de onopgeloste mysteries van de natuurkunde. We zijn tegenwoordig misschien bijna gewend geraakt aan het concept van negatieve rentetarieven, maar wat zou er gebeuren als massa negatief zou kunnen worden?

Newtoniaanse mechanica beschrijft de gevolgen met de bekende vergelijking Force=Mass*Acceleration, of F=m*a. Als er een kracht op een voorwerp werkt, het wordt versneld. Maar kijk uit - als je probeert een auto met negatieve massa te starten, het zal naar je toe bewegen! Hetzelfde, een golfbal met een negatieve massa die in het water valt, zou niet worden afgeremd door wrijving, maar zou in plaats daarvan steeds sneller zinken!

Materie zoals we die kennen, bestaat in wezen uit drie elementaire deeltjes, de atoomkernen met zware protonen en neutronen, en de lichte elektronen. In het algemeen, het gewicht van een lichaam wordt bepaald door de atoomkernen. Terwijl de massa van de kernen een vaste hoeveelheid is, de effectieve massa van de elektronen wordt bepaald door de samenstelling van het materiaal waarin ze bewegen. De massa heeft direct invloed op de elektronische eigenschappen van een materiaal.

We hebben allemaal op de rijschool geleerd dat de remweg kwadratisch toeneemt met de snelheid, een ander gevolg van de formule van Newton:de bewegingsenergie van een auto stijgt met het kwadraat van de snelheid v, E=1/2*m*v^2. Als de massa m negatief was, echter, de energie van een deeltje zoals een elektron zou afnemen met toenemende snelheid - de "remafstand" neemt af!

Wanneer een elektron door een materiaal beweegt, botst het vaak met andere elektronen en kernen. Net als bij autorijden, dergelijke botsingen leiden bij positieve massa tot een vertraging van de beweging. Een elektron met negatieve massa, anderzijds, verliest ook energie, maar wordt daardoor versneld. Precies dit effect hebben de onderzoekers nu voor het eerst kunnen waarnemen.

De wetenschappers van Regensburg gebruikten een nieuw type halfgeleidermateriaal, een enkele atomair dikke plaat van het kristalwolfraamdiselenide. Wanneer het materiaal wordt bestraald met een laser, het begint te gloeien:een elektron absorbeert de energie van de laser en straalt deze weer uit in de karakteristieke kleur van het materiaal, rood. Deze kleur komt overeen met de fundamentele energie van een elektron in de halfgeleider. Zoals water altijd naar beneden stroomt, men zou verwachten dat elektronen met hogere energie altijd naar deze laagste fundamentele energie neigen. De halfgeleider moet altijd rood oplichten.

Echter, het team zag een verbazingwekkend effect. Wanneer bestraald met een rode laser, de elektronen zenden niet alleen rood licht uit, zoals verwacht, maar vertonen ook een vage blauwe glans. Energiezuinig rood licht wordt daarom omgezet in blauw licht van hogere energie, een buitengewoon effect. Door goed te kijken naar de kleurverdeling en helderheid van dit blauwe licht, d.w.z. het optische spectrum, kan worden geconcludeerd dat de blauwe gloed ontstaat uit elektronen met negatieve massa. Deze onverwachte experimentele bevinding kan worden onderbouwd met gedetailleerde kwantummechanische berekeningen van de elektronische structuur, die voor het eerst in deze vorm werden uitgevoerd.

Momenteel, de ontdekking lijkt misschien nog steeds meer een wetenschappelijke eigenaardigheid, maar de wetenschappers hebben al een aantal mogelijke toepassingen in gedachten. Bijvoorbeeld, het concept kan helpen bij de ontwikkeling van supersnelle computers, waar elektronen bijna zonder weerstand bewegen. De overgang van positieve naar negatieve massa creëert ook zogenaamde singulariteiten. Dergelijke singulariteiten - bekend van het proberen om iets door nul te delen op een rekenmachine - zijn niet helemaal verschillend van de zwarte gaten van de kosmologie.

Eindelijk, vanwege het feit dat de elektronen in de halfgeleider schijnbaar discrete energietoestanden kunnen aannemen, als in een atoom, het moet mogelijk zijn om concepten van atomaire kwantumoptica rechtstreeks over te dragen naar de halfgeleider. Dit zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om nieuwe elektronische componenten te ontwikkelen die de golflengte van licht omzetten, licht op te slaan of zelfs te versterken, of functioneren als optische schakelaars.