Elétrons com massa negativa são detectados pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/09/2021

Ilustração da massa negativa baseada em uma bola caindo em um recipiente com água: A queda de uma bola convencional é retardada pela água; uma bola com massa negativa, por outro lado, seria acelerada pela resistência ao atrito.
[Imagem: Felix Hofmann]

Elétrons com massa negativa

Físicos alemães conseguiram flagrar elétrons com massa negativa.

O conceito de massa negativa é muito estranho para quem estudou na escola a mecânica newtoniana, que descreve o movimento com a conhecida equação Força = Massa * Aceleração, ou F = m * a: Se uma força atua sobre um objeto, o objeto é acelerado.

Contudo, se você tentar empurrar para longe de você um objeto com massa negativa, em vez de se distanciar, ele se aproximará de você. Da mesma forma, uma bola de massa negativa caindo na água não seria desacelerada pelo atrito, mas afundaria cada vez mais rápido.

A matéria comum que conhecemos, com sua massa positiva, é basicamente composta por três partículas elementares: Os núcleos atômicos, com prótons e nêutrons pesados, e os elétrons, muitíssimo mais leves. Assim, o peso de um corpo é determinado basicamente 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. E a massa dos elétrons tem grande interesse porque ela afeta diretamente as propriedades eletrônicas de todos os materiais.

Quando um elétron se move através de um material, ele colide frequentemente com núcleos e com outros elétrons. No caso tradicional da massa positiva essas colisões causam uma desaceleração. Um elétron com massa negativa, por outro lado, também perde energia, mas é acelerado com isso.

Os elétrons com massa negativa "aceleram" os fótons, dando-lhes energia para passarem de vermelho para azul.
[Imagem: Felix Hofmann]

Massa negativa fornecendo energia

Agora, Kai-Qiang Lin e seus colegas da Universidade de Regensburg, na Alemanha, conseguiram observar esse efeito de forma experimental pela primeira vez.

Lin usou um material semicondutor monoatômico - uma única folha de disseleneto de tungstênio (WSe2) - sobre o qual ele disparou um laser, o que faz o cristal brilhar: Os elétrons absorvem a energia do laser e a emitem novamente na cor característica do material, o vermelho, cor que corresponde à energia fundamental de um elétron no semicondutor.

Assim como a água sempre flui morro abaixo, seria de se esperar que elétrons com energia mais alta sempre tendessem para essa energia fundamental mais baixa, fazendo o semicondutor sempre brilhar em vermelho. Mas não foi isto o que aconteceu: Além do vermelho, o cristal emitiu um suave brilho azul, o que é um efeito extraordinário porque a luz vermelha, de energia mais baixa, estava sendo convertida em luz azul, de energia mais alta.

Observando em detalhes a distribuição de cores e o brilho dessa luz azul, ou seja, o espectro óptico, a equipe concluiu que o brilho azul surge de elétrons com massa negativa. Esta descoberta experimental inesperada foi então substanciada com cálculos de mecânica quântica detalhados da estrutura eletrônica do cristal semicondutor, comprovando o fenômeno da massa negativa dos elétrons.

A equipe já listou uma série de aplicações possíveis para os elétrons com massa negativa. Por exemplo, na criação de computadores super rápidos, onde os elétrons se movem quase sem resistência, e no interfaceamento entre componentes eletrônicos e ópticos.

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