Dirac-materialer, oppkalt etter egenskapene til elektroner beskrevet av Dirac-likningen, er et fellesnavn på materialer hvor det finnes elektroner som oppfører seg som om deres hastighet er relativistisk (nær lysets hastighet). I flere Dirac-materialer oppfører disse elektronene seg dessuten som om de ikke har noen masse. Matematisk sett betyr dette at relasjonen mellom energien E til elektronene avhenger lineært av deres bevegelsesmengde p. Eksempler på Dirac-materialer er høy-temperatur superledere av typen kuprater, grafén og topologiske isolatorer

Paul Dirac utledet i 1928 en fysisk likning som beskriver fermioner (deriblant elektroner) med spinn kvantetall 1/2. I motsetning til Schrödinger likningen, er Dirac-likningen relativistisk gyldig hvilket betyr at den også kan brukes når slike fermioner beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet. I Dirac-materialer oppfører elektronene seg relativistisk selv om de beveger seg med mye lavere hastighet (Fermihastighet) enn lyshastigheten.

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 karbon atomer ordnet i et bikube-gittermønster ("honeycomb") og 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. I tillegg kan båndstrukturen 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 slik som Klein-tunnelering (se Eksterne lenker). Dette betyr at elektronene kan passere gjennom vilkårlig høye og brede barrierer uten å henfalle, hvilket er interessant med tanke på anvendelser innenfor elektronikk.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.