Un'ampia collaborazione di ricerca internazionale guidata dal dott. Kai-Qiang Lin e dal professor John Lupton dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata dell'Università di Regensburg è stata in grado di misurare l'effetto degli elettroni con massa negativa in nuove nanostrutture di semiconduttori. Il team internazionale comprende scienziati di Berkeley e Yale (USA), Cambridge (Inghilterra) e Tsukuba (Giappone).

Molte cose nella vita quotidiana suonano familiari solo come quantità positive, il peso di un oggetto, Per esempio. Perché la materia sembra sempre avere una massa positiva è uno dei misteri irrisolti della fisica. Forse oggigiorno ci siamo quasi abituati al concetto di tassi di interesse negativi, ma cosa accadrebbe se la massa potesse diventare negativa?

La meccanica newtoniana descrive le conseguenze con la nota equazione Forza=Massa*Accelerazione, oppure F=m*a. Se una forza agisce su un oggetto, è accelerato. Ma attenzione:se provi ad avviare un'auto di massa negativa, si muoverà verso di te! Allo stesso modo, una pallina da golf di massa negativa che cade in acqua non sarebbe rallentata dall'attrito ma affonderebbe invece sempre più velocemente!

La materia come la conosciamo è fondamentalmente composta da tre particelle elementari, i nuclei atomici con protoni e neutroni pesanti, e gli elettroni della luce. Generalmente, il peso di un corpo è determinato dai nuclei atomici. Mentre la massa dei nuclei è una quantità fissa, la massa effettiva degli elettroni è determinata dalla composizione del materiale in cui si muovono. La massa influisce direttamente sulle proprietà elettroniche di un materiale.

Tutti abbiamo imparato a scuola guida che lo spazio di frenata aumenta quadraticamente con la velocità, un'altra conseguenza della formula di Newton:l'energia del moto di un'auto cresce con il quadrato della velocità v, E=1/2*m*v^2. Se la massa m fosse negativa, però, l'energia di una particella come un elettrone diminuirebbe con l'aumentare della velocità:la "distanza di frenata" diminuisce!

Quando un elettrone si muove attraverso un materiale, si scontra frequentemente con altri elettroni e nuclei. Come con la guida di un'auto, tali urti comportano un rallentamento del movimento in caso di massa positiva. Un elettrone con massa negativa, d'altra parte, perde anche energia, ma viene così accelerato. I ricercatori sono stati ora in grado di osservare proprio questo effetto per la prima volta.

Gli scienziati di Ratisbona hanno utilizzato un nuovo tipo di materiale semiconduttore, un singolo strato atomicamente spesso del diseleniuro di tungsteno cristallino. Quando il materiale viene irradiato con un laser, inizia a brillare:un elettrone assorbe l'energia del laser e la emette nuovamente nel colore caratteristico del materiale, rosso. Questo colore corrisponde all'energia fondamentale di un elettrone nel semiconduttore. Proprio come l'acqua scorre sempre in discesa, ci si aspetterebbe che gli elettroni con energia maggiore tendano sempre a questa energia fondamentale più bassa. Il semiconduttore dovrebbe sempre illuminarsi di rosso.

Però, il team ha osservato un effetto sorprendente. Quando irradiato con un laser rosso, gli elettroni emettono non solo luce rossa, come previsto, ma mostrano anche un debole bagliore blu. La luce rossa a bassa energia viene quindi convertita in luce blu di maggiore energia, un effetto straordinario. Osservando da vicino la distribuzione del colore e la luminosità di questa luce blu, cioè lo spettro ottico, si può concludere che il bagliore blu deriva da elettroni con massa negativa. Questa scoperta sperimentale inaspettata potrebbe essere corroborata da calcoli quantomeccanici dettagliati della struttura elettronica, che sono stati eseguiti in questa forma per la prima volta.

Attualmente, la scoperta può ancora sembrare più una stranezza scientifica, ma gli scienziati hanno già in mente una serie di possibili applicazioni. Per esempio, il concetto può aiutare lo sviluppo di computer superveloci, dove gli elettroni si muovono quasi senza resistenza. Il passaggio dalla massa positiva a quella negativa crea anche le cosiddette singolarità. Tali singolarità, familiari dal tentativo di dividere qualcosa per zero su una calcolatrice, non sono del tutto dissimili dai buchi neri della cosmologia.

Finalmente, a causa del fatto che gli elettroni nel semiconduttore possono apparentemente assumere stati energetici discreti, come in un atomo, dovrebbe essere possibile trasferire concetti di ottica quantistica atomica direttamente al semiconduttore. Questo potrebbe essere usato, Per esempio, per sviluppare nuovi componenti elettronici che convertono la lunghezza d'onda della luce, immagazzinare o addirittura amplificare la luce, o funzionano come interruttori ottici.