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.

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