负质量电子在新型半导体纳米结构中的作用

由雷根斯堡大学实验与应用物理研究所的林开强博士和约翰卢普顿教授领导的大型国际研究合作已经能够测量新型半导体纳米结构中负质量电子的影响。国际团队包括来自伯克利和耶鲁()、剑桥(英国)和筑波(日本)的科学家。

日常生活中的许多事物仅以正数(例如物体的重量)的形式出现。为什么物质似乎总是具有正质量是物理学未解之谜之一。我们现在可能几乎已经习惯了负利率的概念，但如果质量变成负数会发生什么?

牛顿力学用众所周知的方程 Force=Mass*Acceleration, oder F=m*a 来描述结果。如果一个力作用在一个物体上，它就会被加速。但要小心——如果你尝试启动负质量的汽车，它会向你移动!同样，落入水中的负质量高尔夫球不会因摩擦而减速，而是会越来越快地下沉!

众所周知，物质基本上由三个基本粒子组成，即具有重质子和中子的原子核，以及轻电子。一般来说，物体的重量由原子核决定。虽然原子核的质量是一个固定量，但电子的有效质量由它们在其中移动的材料的成分决定。质量直接影响材料的电子特性。

我们在驾校都学过，刹车距离与速度成二次方增加，这是牛顿公式的另一个推论：汽车的动能与速度v的平方成正比，E=1/2*m*v^2。但是，如果质量 m 为负，则电子等粒子的能量会随着速度的增加而减少——“制动距离”会减少!

当电子穿过材料时，它会经常与其他电子和原子核发生碰撞。与驾驶汽车一样，在正质量的情况下，此类碰撞会导致运动减慢。另一方面，具有负质量的电子也会失去能量，但会因此被加速。研究人员现在首次能够准确地观察到这种效应。

雷根斯堡的科学家们使用了一种新型的半导体材料，即单原子厚度的二硒化钨晶体片。当材料受到激光照射时，它开始发光：电子吸收激光的能量并再次以材料的特征颜色红色发射它。这种颜色对应于半导体中电子的基本能量。就像水总是往下流一样，人们会期望具有较高能量的电子总是倾向于这种最低的基本能量。半导体应始终发出红色光。

然而，该团队观察到了惊人的效果。当用红色激光照射时，电子不仅发出预期的红光，而且还显示出微弱的蓝色微光。因此，低能量的红光被转换成更高能量的蓝光，效果非凡。通过仔细观察这种蓝光的颜色分布和亮度，即光谱，可以得出结论，蓝光是由负质量的电子产生的。这一意外的实验发现可以通过电子结构的详细量子力学计算得到证实，这是首次以这种形式进行。

目前，这一发现似乎仍然更像是一种科学怪事，但科学家们已经想到了许多可能的应用。例如，这个概念可能有助于超高速计算机的发展，其中电子几乎没有阻力地移动。从正质量到负质量的转变也产生了所谓的奇点。这种奇点——类似于试图在计算器上将某物除以零——与宇宙学的黑洞并不完全不同。

最后，由于半导体中的电子显然可以呈现离散的能态，就像在原子中一样，应该可以将原子量子光学的概念直接转移到半导体中。例如，这可以用于开发新的电子元件，这些元件可以转换光的波长、存储甚至放大光，或者用作光开关。

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