Uma grande colaboração de pesquisa internacional liderada pelo Dr. Kai-Qiang Lin e Professor John Lupton do Instituto de Física Experimental e Aplicada da Universidade de Regensburg foi capaz de medir o efeito de elétrons com massa negativa em novas nanoestruturas semicondutoras. A equipe internacional inclui cientistas de Berkeley e Yale (EUA), Cambridge (Inglaterra) e Tsukuba (Japão).
Muitas coisas na vida cotidiana soam familiares apenas como quantidades positivas, o peso de um objeto, por exemplo. Por que a matéria sempre parece ter massa positiva é um dos mistérios não resolvidos da física. Podemos hoje quase nos acostumar com o conceito de taxas de juros negativas, mas o que aconteceria se a massa pudesse se tornar negativa?
A mecânica newtoniana descreve as consequências com a conhecida equação Força = Massa * Aceleração, ou F = m * a. Se uma força atua sobre um objeto, ela é acelerada. Mas cuidado – se você tentar dar a partida em um carro de massa negativa, ele se moverá em sua direção! Da mesma forma, uma bola de golfe de massa negativa caindo na água não seria desacelerada pelo atrito, mas afundaria cada vez mais rápido!
A matéria como a conhecemos é basicamente composta de três partículas elementares, os núcleos atômicos com prótons e nêutrons pesados e os elétrons leves. Em geral, o peso de um corpo é determinado pelos núcleos atômicos. Enquanto a massa dos núcleos é uma quantidade fixa, a massa efetiva dos elétrons é determinada pela composição do material em que se movem. A massa afeta diretamente as propriedades eletrônicas de um material.
Todos nós aprendemos na autoescola que a distância de frenagem aumenta quadraticamente com a velocidade, outra consequência da fórmula de Newton: a energia motora de um carro aumenta com o quadrado da velocidade v, E = 1/2 * m * v ^ 2. Se a massa m fosse negativa, entretanto, a energia de uma partícula como um elétron diminuiria com o aumento da velocidade – a “distância de frenagem” diminui!
Quando um elétron se move através de um material, ele colide freqüentemente com outros elétrons e núcleos. Tal como acontece com a direção de um carro, essas colisões levam a uma desaceleração do movimento no caso de massa positiva. Um elétron com massa negativa, por outro lado, também perde energia, mas é acelerado com isso. Os pesquisadores agora puderam observar precisamente esse efeito pela primeira vez.
Os cientistas de Regensburg usaram um novo tipo de material semicondutor, uma única folha atomicamente espessa de cristal disseleneto de tungstênio. Quando o material é irradiado com um laser, ele começa a brilhar: um elétron absorve a energia do laser e a emite novamente na cor característica do material, o vermelho. Essa cor corresponde à energia fundamental de um elétron no semicondutor. Assim como a água sempre flui morro abaixo, seria de esperar que elétrons com energia mais alta sempre tendessem para essa energia fundamental mais baixa. O semicondutor deve sempre brilhar em vermelho.
No entanto, a equipe observou um efeito surpreendente. Quando irradiados com um laser vermelho, os elétrons emitem não apenas luz vermelha, como esperado, mas também mostram um fraco brilho azul. A luz vermelha de baixa energia é, portanto, convertida em luz azul de alta energia, um efeito extraordinário. Observando de perto a distribuição de cores e o brilho dessa luz azul, ou seja, o espectro óptico, pode-se concluir que o brilho azul surge de elétrons com massa negativa. Esta descoberta experimental inesperada pode ser comprovada com cálculos de mecânica quântica detalhados da estrutura eletrônica, que foram realizados desta forma pela primeira vez.
No momento, a descoberta ainda pode parecer mais uma excentricidade científica, mas os cientistas já têm uma série de aplicações possíveis em mente. Por exemplo, o conceito pode ajudar no desenvolvimento de computadores super rápidos, onde os elétrons se movem quase sem resistência. A transição da massa positiva para a massa negativa também cria as chamadas singularidades. Essas singularidades – conhecidas por tentar dividir algo por zero em uma calculadora – não são totalmente diferentes dos buracos negros da cosmologia.
Finalmente, devido ao fato de que os elétrons no semicondutor podem aparentemente assumir estados de energia discretos, como em um átomo, deveria ser possível transferir conceitos de óptica quântica atômica diretamente para o semicondutor. Isso poderia ser usado, por exemplo, para desenvolver novos componentes eletrônicos que convertem o comprimento de onda da luz, armazenam ou até amplificam a luz ou funcionam como interruptores ópticos.
Publicado em 18/09/2021 11h01
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