Negative Masse und hohe Geschwindigkeit: Wie Elektronen eigene Wege gehen

Wilhelm Kühn vom MBI beim Einjustieren des Experiments. Foto: Uwe Bellhäuser

Physiker des Max-Born-Instituts (MBI) in Berlin berichten in der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters, dass Elektronen in Halbleiterkristallen bei starker Beschleunigung durch ein elektrisches Feld eine negative träge Masse annehmen.

Isaac Newton [1] 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, d.h. bei gleicher Kraft erfährt ein leichter Körper eine größere Beschleunigung als ein schwerer. Die Masse des Körpers ist positiv, d.h. die Beschleunigung erfolgt in der Richtung der Kraft. Geladene Elementarteilchen wie das freie Elektron, dessen Masse nur 10 hoch -30 = 0,...(29 Nullen !)...1 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.

Berliner Forscher haben jetzt gezeigt, dass Kristallelektronen in extrem hohen elektrischen Feldern 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 Beschleunigungphase von nur 100 Femtosekunden = 0,000 000 000 000 1 Sekunden auf eine Geschwindigkeit von 4 Millionen Stundenkilometern 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.

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 erforderlich, da sonst der Kristall zerstört werden kann.

Dieses neue Ergebnis stimmt mit Berechnungen überein, die der Nobelpreisträger Felix Bloch 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 (1 THz = 1000 GHz = 10 hoch 12 Hz) und damit etwa 1000 mal höher als die Taktrate der neuesten PC Generation.

[1] Isaac Newton: Axiomata, sive leges motus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687).

Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.