Massa kan 'skapas' inuti grafen, säger fysiker

Massans natur är ett av vetenskapens stora bestående pussel. Vad är massa och var den kommer ifrån är frågor som har förbryllat vetenskapsmän och filosofer i århundraden.

Så förslaget att massa kan skapas inuti kolnanorör kommer att ge några betydande huvudskrapningar.

Idén kommer från Abdulaziz Alhaidari vid Saudi Center for Theoretical Physics i Saudiarabien och några kompisar som börjar med en genomgång av de exotiska egenskaperna hos grafen, ett 2-dimensionellt ark av kol hönsnät.

En av de mest spännande nya idéerna inom fasta tillståndets fysik är att grafen kan fungera som ett laboratorium för att studera exotisk relativistisk fysik. Det visar sig att grafens elektroniska egenskaper kan ställas in så att rörelsen av elektroner och hål genom strukturen med hastigheter på 10^6 m/s är matematiskt ekvivalent med beteendet hos elektroner som färdas i ett vakuum nära ljusets hastighet .

På fysikens språk styrs deras beteende inte av den konventionella Schrodinger-ekvationen som vanliga elektroner lyder, utan av den masslösa Dirac-ekvationen än vad som beskriver relativistisk fysik. Dessa ekvationer tar ingen hänsyn till massa (som namnet antyder) - så elektronerna och hålen beter sig som om de inte har någon massa.

Det är viktigt eftersom det tidigare relativistiska beteendet hos elektroner endast var tillgängligt för fysiker med en högenergipartikelaccelerator i sin trädgård. Nu kan vilket laboratorium som helst som är utrustat med kol, elektricitet och ledningar göra det.

Detta har lett till ett enormt intresse: en idé är att en ny generation grafenbaserade elektroniska enheter kommer att kunna utnyttja de effekter som är möjliga i relativistisk fysik snarare än att använda vanliga gamla vaniljeffekter (även om exakt hur det inte är klart ännu).

Låt oss nu hoppa till de upptåg som teoretiska fysiker ibland gör när de tänker på massa. En idé är att massa uppstår för att universum har extra, rymdliknande dimensioner som bara existerar på de minsta skalorna. Fysiker säger att dessa dimensioner är kompakterade.

Kompaktiserade dimensioner har en viktig effekt inom kvantmekaniken, och ändrar ekvationerna som beskriver universum så att de inkluderar en term för massa. I dessa teorier är det så massa uppstår.

Alhaidari och cos idé är att en liknande effekt kan uppstå i grafen om de rymdliknande dimensionerna i grafen kan kompakteras. Med andra ord, om du minskar antalet rymdliknande dimensioner i grafen från två till en, kommer de masslösa ekvationerna som beskriver beteendet hos elektroner och hål att ändras till att inkludera en term för massa. I själva verket skapar komprimering av dimensioner massa.

Så hur komprimerar man rymdliknande dimensioner i grafen? Enkelt, du rullar ihop det. Detta förvandlar arket till ett rör som är effektivt 1-dimensionellt, åtminstone vad gäller elektronerna och hålen.

Det finns några viktiga matematiska skillnader mellan massan som kan genereras på det här sättet och de saker som du kan slå knogarna på. Men nu har fysiker chansen att jämföra effekterna i ett vanligt labb.

Förmågan att generera eller förstöra massa bara genom att ändra grafens geometri är en kraftfull idé. Den första utmaningen blir att reproducera effekten i labbet. Räkna med att hitta fasta tillståndsfysiker som bränner midnattsoljan under de kommande veckorna.

Utöver det är frågan hur vi ska utnyttja vår nyvunna makt över massan. Förslag i kommentarsfältet tack.

Ref: arxiv.org/abs/1010.3437 : Dynamisk M ass Generation Via Space Compactification In Graphene

Dölj