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Forscher bringen Elektronen-Masse in Unordnung

Elektronen in Halbleiterkristallen nehmen bei starker Beschleunigung negative Masse an

Wilhelm Kühn vom MBI beim Einjustieren des Experiments. © Uwe Bellhäuser

Berliner Physiker haben gezeigt, dass Elektronen in Halbleiterkristallen bei starker Beschleunigung durch ein elektrisches Feld eine negative Masse annehmen. Die Forscher stellen die Ergebnisse ihrer Experimente in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ vor.

Isaac Newton fand im 17. Jahrhundert heraus, dass eine Kraft die Beschleunigung eines Körpers bewirkt. Die träge Masse des Körpers entspricht dem Verhältnis von Kraft zu Beschleunigung, das heißt bei gleicher Kraft erfährt ein leichter Körper eine größere Beschleunigung als ein schwerer. Die Masse des Körpers ist positiv, das bedeutet die Beschleunigung erfolgt in der Richtung der Kraft. Geladene Elementarteilchen wie das freie Elektron, dessen Masse nur 10 hoch -30 Kilogramm beträgt, lassen sich in elektrischen Feldern auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigen.

Auch die Bewegung von Elektronen in Kristallen folgt dieser Gesetzmäßigkeit, sofern die elektrischen Felder klein sind. In diesem Regime besitzt das Kristallelektron eine Masse, die nur einen Bruchteil der Masse des freien Elektrons beträgt.

Extrem kurze Beschleunigungsphase

Berliner Forscher haben jetzt gezeigt, dass Kristallelektronen in extrem hohen elektrischen Feldern jedoch ein völlig anderes Verhalten zeigen und ihre Masse sogar negative Werte annimmt. Wie sie in der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters berichten, wurde das Elektron zunächst in einer extrem kurzen Beschleunigungsphase von nur 100 Femtosekunden – dies entspricht 0,0000000000001 Sekunden – auf eine Geschwindigkeit von vier Millionen Stundenkilometer gebracht.

Danach bremst das Elektron in einem ähnlichen Zeitraum ab und kehrt dann seine Bewegungsrichtung sogar um. Diese der Kraft entgegengerichtete Beschleunigung lässt sich nur durch eine negative träge Masse des Teilchens erklären.

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In den Experimenten werden Elektronen in dem Halbleiterkristall Galliumarsenid durch einen extrem kurzen elektrischen Impuls beschleunigt, dessen Feldstärke 30 Millionen Volt pro Meter beträgt. Gleichzeitig wird mit hoher Präzision die Geschwindigkeit der Elektronen als Funktion der Zeit gemessen. Der Zeitraum des elektrischen Impulses beträgt nur 300 Femtosekunden. Diese extrem kurze Dauer ist nach Angaben der Forscher erforderlich, da sonst der Kristall zerstört werden kann.

Berechnungen von Felix Bloch bestätigt

Dieses neue Ergebnis stimmt, so die Wissenschaftler weiter, mit Berechnungen überein, die der Nobelpreisträger Felix Bloch bereits vor mehr als 80 Jahren durchführte. Es eröffnet einen bisher nicht zugänglichen Bereich des Ladungstransports, der neue Perspektiven für zukünftige Bauelemente der Mikroelektronik aufzeigt. Die hier beobachteten Bewegungsfrequenzen liegen im Terahertzbereich – ein THz = 1.000 GHz = 10 hoch 12 Hz – und damit etwa 1.000 Mal höher als die Taktrate der neuesten PC Generation.

(idw – Forschungsverbund Berlin, 13.04.2010 – DLO)

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