Una gran colaboración de investigación internacional dirigida por el Dr. Kai-Qiang Lin y el profesor John Lupton del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Regensburg ha podido medir el efecto de los electrones con masa negativa en nuevas nanoestructuras de semiconductores. El equipo internacional incluye científicos de Berkeley y Yale (EE. UU.), Cambridge (Inglaterra) y Tsukuba (Japón).

Muchas cosas en la vida cotidiana suenan familiares solo como cantidades positivas, el peso de un objeto, por ejemplo. Por qué la materia siempre parece tener masa positiva es uno de los misterios sin resolver de la física. Es posible que hoy en día casi nos hayamos acostumbrado al concepto de tipos de interés negativos, pero ¿qué pasaría si la masa se volviera negativa?

La mecánica newtoniana describe las consecuencias con la conocida ecuación Fuerza =Masa * Aceleración, oder F =m * a. Si una fuerza actúa sobre un objeto, se acelera. Pero tenga cuidado:si intenta arrancar un automóvil de masa negativa, ¡se moverá hacia ti! Igualmente, una pelota de golf de masa negativa que cae al agua no se ralentizaría por la fricción, sino que se hundiría cada vez más rápido.

La materia tal como la conocemos se compone básicamente de tres partículas elementales, los núcleos atómicos con protones y neutrones pesados, y los electrones ligeros. En general, el peso de un cuerpo está determinado por los núcleos atómicos. Mientras que la masa de los núcleos es una cantidad fija, la masa efectiva de los electrones está determinada por la composición del material en el que se mueven. La masa afecta directamente las propiedades electrónicas de un material.

Todos aprendimos en la escuela de manejo que la distancia de frenado aumenta cuadráticamente con la velocidad, otra consecuencia de la fórmula de Newton:la energía de movimiento de un automóvil aumenta con el cuadrado de la velocidad v, E =1/2 * metro * v ^ 2. Si la masa m fuera negativa, sin embargo, la energía de una partícula como un electrón disminuiría al aumentar la velocidad; ¡la "distancia de frenado" disminuye!

Cuando un electrón se mueve a través de un material, choca frecuentemente con otros electrones y núcleos. Al igual que con la conducción de un automóvil, tales colisiones conducen a una ralentización del movimiento en el caso de masa positiva. Un electrón con masa negativa, por otra parte, también pierde energía, pero se acelera por ello. Los investigadores ahora han podido observar precisamente este efecto por primera vez.

Los científicos de Ratisbona utilizaron un nuevo tipo de material semiconductor, una única hoja atómicamente gruesa del diselenuro de tungsteno cristalino. Cuando el material se irradia con un láser, comienza a brillar:un electrón absorbe la energía del láser y la emite de nuevo en el color característico del material, rojo. Este color corresponde a la energía fundamental de un electrón en el semiconductor. Así como el agua siempre fluye cuesta abajo, uno esperaría que los electrones con mayor energía siempre tiendan a esta energía fundamental más baja. El semiconductor siempre debe brillar en rojo.

Sin embargo, el equipo observó un efecto asombroso. Cuando se irradia con un láser rojo, los electrones emiten no solo luz roja, como se esperaba, pero también muestran un tenue brillo azul. Por lo tanto, la luz roja de baja energía se convierte en luz azul de mayor energía, un efecto extraordinario. Al observar de cerca la distribución del color y el brillo de esta luz azul, es decir, el espectro óptico, se puede concluir que el resplandor azul surge de electrones con masa negativa. Este hallazgo experimental inesperado podría sustentarse con cálculos detallados de la mecánica cuántica de la estructura electrónica, que se llevaron a cabo de esta forma por primera vez.

En el presente, el descubrimiento aún puede parecer más una rareza científica, pero los científicos ya tienen en mente una serie de posibles aplicaciones. Por ejemplo, el concepto puede ayudar al desarrollo de computadoras ultrarrápidas, donde los electrones se mueven casi sin resistencia. La transición de masa positiva a negativa también crea las llamadas singularidades. Tales singularidades, conocidas por intentar dividir algo por cero en una calculadora, no son del todo diferentes a los agujeros negros de la cosmología.

Finalmente, debido al hecho de que los electrones en el semiconductor aparentemente pueden asumir estados de energía discretos, como en un átomo, Debería ser posible transferir conceptos de óptica cuántica atómica directamente al semiconductor. Esto podría usarse, por ejemplo, para desarrollar nuevos componentes electrónicos que conviertan la longitud de onda de la luz, almacenar o incluso amplificar la luz, o funcionan como interruptores ópticos.