Ett stort internationellt forskningssamarbete ledd av Dr Kai-Qiang Lin och professor John Lupton från Institutet för experimentell och tillämpad fysik vid University of Regensburg har kunnat mäta effekten av elektroner med negativ massa i nya halvledarnanostrukturer. Det internationella teamet innehåller forskare från Berkeley och Yale (USA), Cambridge (England) och Tsukuba (Japan).

Många saker i vardagen ringer bara bekanta som positiva kvantiteter, vikten av ett föremål, till exempel. Varför materia alltid verkar ha positiv massa är ett av fysikens olösta mysterier. Vi kanske numera nästan har vant oss vid begreppet negativa räntor, men vad skulle hända om massan kunde bli negativ?

Newtons mekanik beskriver konsekvenserna med den välkända ekvationen Force =Massa*Acceleration, eller F=m*a. Om en kraft verkar på ett föremål, det accelereras. Men se upp – om du försöker starta en bil med negativ massa, det kommer att röra sig mot dig! Likaså, en golfboll med negativ massa som faller i vatten skulle inte bromsas av friktion utan istället sjunka snabbare och snabbare!

Materia som vi känner den består i grunden av tre elementarpartiklar, atomkärnorna med tunga protoner och neutroner, och ljuselektronerna. I allmänhet, vikten av en kropp bestäms av atomkärnorna. Medan kärnornas massa är en fast mängd, elektronernas effektiva massa bestäms av sammansättningen av materialet i vilket de rör sig. Massan påverkar direkt de elektroniska egenskaperna hos ett material.

Vi lärde oss alla i körskolan att bromssträckan ökar kvadratiskt med hastigheten, en annan konsekvens av Newtons formel:en bils rörelseenergi stiger med kvadraten på hastigheten v, E =1/2*m*v^2. Om massan m var negativ, dock, energin hos en partikel som en elektron skulle minska med ökande hastighet — "bromssträckan" minskar!

När en elektron rör sig genom ett material kolliderar den ofta med andra elektroner och kärnor. Som med att köra bil, sådana kollisioner leder till en bromsning av rörelsen vid positiv massa. En elektron med negativ massa, å andra sidan, tappar också energi, men accelereras därigenom. Forskarna har nu kunnat observera exakt denna effekt för första gången.

Regensburgforskarna använde en ny typ av halvledarmaterial, ett enda atomärt tjockt ark av kristallen volframdiselenid. När materialet bestrålas med en laser, det börjar lysa:en elektron absorberar laserens energi och avger den igen i materialets karaktäristiska färg, röd. Denna färg motsvarar den grundläggande energin hos en elektron i halvledaren. Precis som vatten alltid rinner nedför, man skulle förvänta sig att elektroner med högre energi alltid tenderar till denna lägsta grundenergi. Halvledaren ska alltid lysa rött.

Dock, laget observerade en häpnadsväckande effekt. Vid bestrålning med en röd laser, elektronerna avger inte bara rött ljus, som förväntat, men också visa ett svagt blått skimmer. Lågenergi rött ljus omvandlas därför till blått ljus med högre energi, en extraordinär effekt. Genom att titta närmare på färgfördelningen och ljusstyrkan för detta blå ljus, dvs det optiska spektrumet, man kan dra slutsatsen att det blå skenet uppstår från elektroner med negativ massa. Denna oväntade experimentella upptäckt kunde underbyggas med detaljerade kvantmekaniska beräkningar av den elektroniska strukturen, som utfördes i denna form för första gången.

För närvarande, upptäckten kan fortfarande verka som mer av en vetenskaplig märklighet, men forskarna har redan ett antal möjliga tillämpningar i åtanke. Till exempel, konceptet kan hjälpa utvecklingen av supersnabba datorer, där elektroner rör sig nästan utan motstånd. Övergången från positiv till negativ massa skapar också så kallade singulariteter. Sådana singulariteter - bekanta från att försöka dela något med noll på en miniräknare - är inte helt olikt de kosmologiska svarta hålen.

Till sist, på grund av att elektronerna i halvledaren tydligen kan anta diskreta energitillstånd, som i en atom, det bör vara möjligt att överföra koncept för atomkvantoptik direkt till halvledaren. Detta kan användas, till exempel, att utveckla nya elektroniska komponenter som konverterar ljusets våglängd, lagra eller till och med förstärka ljus, eller fungera som optiska omkopplare.