Física de la materia condensada: ¿tiene un agujero de electrones en un metal conductor masa negativa?

Hablando estrictamente, la respuesta es no porque no hay agujeros en los metales.

No hay agujeros en los metales (por ejemplo, Cu y Al) porque tiene una banda de conducción medio llena y, por lo tanto, un mar de Fermi. El concepto de una banda de valencia es irrelevante cuando se habla de metales que son demasiado densos en electrones. El concepto de agujeros solo se aplica a los semiconductores (por ejemplo, Si y AlGaAs) donde tiene bandas de valencia casi completas y bandas de conducción casi vacías. En comparación con los metales, hay muchos menos portadores de carga en semiconductores.

En el lenguaje de física de semiconductores, los agujeros hacen referencia a estados de electrones vacíos en la banda de valencia . Matemáticamente hablando, un estado de agujero lleno es completamente equivalente a un estado de electrones vacío en la banda de valencia. El estado del agujero también tiene la masa efectiva del estado de electrones de la banda de valencia equivalente. Sin embargo, debido a la curvatura negativa (*) de la banda de valencia, la masa efectiva de un agujero es negativa.

Para evitar la incomodidad conceptual de trabajar con cuasi partículas con carga negativa con masas negativas, el físico de la materia condensada simplemente considera que los agujeros son partículas con masas positivas pero con una carga positiva . Los dos cambios de signo (masa y carga) se cancelan entre sí en la mayoría de las teorías de agujeros en un campo eléctrico o magnético.

Este es un diagrama bastante estándar con el que la mayoría de los físicos de semiconductores estarían familiarizados. [Imagen tomada de http://www.ioffe.ru]


[*] La masa efectiva es proporcional a la inversa de la segunda derivada de la energía de la banda con respecto al momento cristalino, es decir, [matemática] m ^ {*} = \ frac {\ hbar ^ 2} {\ frac {\ parcial ^ 2 E} {\ parcial k ^ 2}}. [/matemáticas]

Dicho en términos de estructura de banda (y suponiendo un modelo de electrones casi libres), tanto los electrones como los agujeros tienen una relación de dispersión parabólica (energía (E) vs momento cristalino (k)), [matemáticas] E \ propto k ^ 2 [ /matemáticas]. La masa efectiva (m *) dada por el inverso de la segunda derivada de energía con respecto al momento: [matemática] m * \ propto [\ frac {\ partial ^ 2E} {\ partial k ^ 2}] ^ {- 1 }[/matemáticas]. Una banda similar a un electrón está dada por una parábola del lado derecho, por lo que la segunda derivada es positiva, al igual que la masa efectiva. Una parábola invertida da una banda en forma de agujero, por lo que la segunda derivada es negativa al igual que la masa efectiva.

Un agujero de electrones que tiene una masa negativa es solo un truco matemático.

La forma en que funciona la matemática de los agujeros es que, en el lugar donde está el agujero, finges que hay un positrón y un electrón presente. El electrón tiene una masa positiva allí como en cualquier otro lugar y usted trata el positrón como si tuviera una masa negativa, de modo que las dos masas se cancelan en el lugar del agujero.

Luego puede explotar la simetría y el principio de superposición para tratar matemáticamente todos los puntos de electrones que se llenan con un positrón adicional que se mueve. Donde sea que termine el positrón, los cargos se cancelarán con el electrón en ese mismo lugar lleno, y tendrás tu agujero nuevamente.

Tendría cero masa. Describe la falta de un electrón donde uno podría existir en un átomo o enrejado. Si el electrón vuelve a esa posición, no se pierde masa.

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