Dirac-materialer er et fellesnavn på materialer der elektronene er beskrevet av Dirac-likningen. 

Noen eksempler på Dirac-materialer er høy-temperatur-superledere av typen kuprater, grafén og topologiske isolatorer. I slike materialer kan elektronene fremvise en relativistisk oppførsel, det vil si at de oppfører seg som om de beveger seg med en hastighet nær lysets hastighet

Paul Dirac utledet i 1928 en fysisk likning som beskriver fermioner (deriblant elektroner) med spinn-kvantetall ½. I motsetning til schrödingerligningen er Dirac-likningen relativistisk gyldig, det vil si at den også kan brukes når slike fermioner beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet.

Høy-temperatur-superledere av typen kuprater ble eksperimentelt oppdaget i 1986 og fremviser masseløse Dirac-elektroner i områder av Fermi-flaten til materialet.

Grafén, et to-dimensjonalt lag av karbonatomer ordnet i et bikube-gittermønster («honeycomb») som ble eksperimentelt fremstilt i 2004, fremviser, i motsetning til kuprater, masseløse Dirac-elektroner over hele Fermi-flaten for lave elektron-energier. Det samme gjelder for topologiske isolatorer, som ble eksperimentelt fremstilt  i 2007.

Frie elektroner har en endelig masse og en kinetisk energi som øker kvadratisk med bevegelsesmengden til elektronet. I et materiale vil båndstrukturen føre til at elektronene effektivt sett oppfører seg annerledes enn frie elektroner, for eksempel som om de var masseløse.

Nettopp dette kan skje i Dirac-materialer. Matematisk sett betyr det at relasjonen mellom energien E til elektronene avhenger lineært av deres bevegelsesmengde p

Båndstrukturen kan dermed føre til at elektronene fremviser en uvanlig sammenheng mellom sin energi og bevegelsesmengde som er formelt lik relativistiske elektroner, men uten at elektronene i materialet faktisk beveger seg nært opp til lysets hastighet. 

Elektronene i Dirac-materialer er interessante, både med tanke på fundamental fysikk og mulige anvendelser. Fra et fundamentalt perspektiv gjør Dirac-materialer det mulig å studere relativistisk fysikk uten at relativistiske hastigheter er påkrevd. Dette er gunstig fra et eksperimentelt perspektiv, siden det kreves store mengder energi for å oppnå relativistiske hastigheter, slik som i studier av partikler i høyenergifysikk.

Fra et anvendt perspektiv fremviser elektroner i Dirac-materialer, slik som grafén, uvanlige egenskaper, for eksempel Klein-tunnelering. Dette betyr at elektronene kan passere gjennom vilkårlig høye og brede barrierer uten å henfalle, noe som er interessant med tanke på anvendelser innenfor elektronikk.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.