Negative Masse und hohe Geschwindigkeit

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Wie Elektronen eigene Wege gehen

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Physiker des

Max-Born-Instituts 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, das heißt, 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^-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 = 10¹² 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).

Siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze

Veröffentlichung: W. Kuehn et al.,Phys. Rev. Lett. 104, 146602 (2010)

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