30 сентября 2021

Обнаружен странный эффект "отрицательной массы" у электронов в среде нового полупроводникового материала

Международная исследовательская группа, в которую входили ученые из университета Регенсбурга, Германия, ученые из Беркли и Йельского университета, США, Кембриджа, Великобритания, и Цукубы, Япония, произвела измерения весьма странного эффекта, возникающего в среде одного из относительно новых видов полупроводниковых материалов. Согласно полученным результатам, некоторые электроны в этом материале ведут себя так, словно они обладают массой с отрицательным значением.

Отметим, что множество вещей в окружающем нас мире характеризуется только положительными величинами. До последнего времени масса или вес физического объекта также относился к положительной величине, что являлось одной из неразрешенных загадок современной физики. Однако, в природе существует и множество вещей с отрицательными значениями их некоторых характеристик, и что бы могло произойти, если масса объекта также могла стать отрицательной величиной?

Согласно законам ньютоновской механики прикладываемая к объекту сила равна значению его массы, помноженному на ускорение движения (F=m*a). Другими словами, если на какой-то объект действует сила, то он начинает двигаться с ускорением. Однако, если попытаться пнуть камень с отрицательной массой, то стоит поберечься, этот камень полетит в обратном направлении. Аналогично мяч для гольфа с отрицательной массой, попав в воду, будет не тормозиться сопротивлением воды, а наоборот, двигаться с ускорением.

В основном все эти законы действуют и на атомарном уровне. Нам известно, что масса атома элемента определяется в большей части массой ядра этого атома, суммой масс всех входящих в ядро протонов и нейтронов. Эффективная же масса третьей составляющей атома, электронов, во многом зависит от свойств электронных материала, в котором двигаются эти электроны.

Когда электрон движется в материале, он постоянно сталкивается с другими электронами и ядрами атомов. Такие столкновения приводят к замедлению движения электрона, обладающего положительной массой, и возникновению явления, известного как электрическое сопротивление материала. Однако, если вдруг электрон станет обладать отрицательной массой, он при столкновениях будет терять энергию, ускоряясь при этом. И именно за такими эффектами ученым удалось наблюдать впервые за всю историю науки.

Ученые использовали относительно новый тип полупроводникового материала, диселенида вольфрама, лист которого имеет практически одноатомную толщину. Когда такой материал освещается светом лазера, он начинает светиться, электроны поглощают энергию фотонов лазерного света и через короткое время излучают собственный фотон характерного красного цвета. Цвет излучаемых фотонов соответствует фундаментальной энергии электрона в полупроводнике, который должен всегда светиться только красным цветом.

Однако, ученым удалось наблюдать удивительный эффект, при облучении диселенида вольфрама красным лазером электроны материала излучали не только красный свет, но и более высокоэнергетический синий. Как показали дальнейшие исследования, низкоэнергетические фотоны красного цвета были преобразованы в высокоэнергетические фотоны синего цвета за счет экстраординарного эффекта.

Проведя спектральный анализ, ученые пришли к заключению, что источниками фотонов синего света были именно электроны с отрицательной массой. И такое неожиданное экспериментальное открытие может быть подтверждено в будущем при помощи специального электронного устройства с элементами, подобным элементам, используемым сейчас в технологиях квантовых вычислений.

В настоящее время данное открытие пока еще походит на нечто невероятное, тем не менее, ученые уже успели придумать несколько областей его практического применения. К примеру, эффект отрицательной массы электронов может быть использован для создания сверхбыстрых компьютеров, в цепях которых электроны будут перемещаться, не встречая сопротивления. Также ученых весьма интересует момент перехода электрона от положительной массы к отрицательной и наоборот. Этот момент чем-то родственен попытке деления числа на ноль или понятию черной дыры в современной космологии. Тем не менее, в моменты таких переходов могут возникать весьма экзотические явления, которые можно будет в будущем поставить на службу всему человечеству.