Un electrón no ligado a un cristal, utilizado como referencia para comparar valores de masa efectiva.Un electrón libre es un electrón que no está ligado a un átomo, una molécula o una red cristalina. En física del estado sólido, sirve como punto de referencia definitivo: la masa de un electrón libre (m₀) es la línea base contra la cual se mide la 'masa efectiva' de los electrones que se mueven a través de un cristal. Cuando un electrón viaja a través de un semiconductor o un metal, su respuesta a los campos eléctricos se ve alterada por el potencial periódico de la red, haciendo que se comporte como si tuviera una masa diferente — a veces más ligera, a veces más pesada, y en casos exóticos incluso negativa. El electrón libre es el caso limpio y sin perturbaciones a partir del cual se definen todas estas desviaciones.
El concepto de masa efectiva fue introducido en la década de 1920 por Rudolf Peierls y Felix Bloch mientras se aplicaba la mecánica cuántica a los sólidos. El electrón libre en sí fue identificado antes, con el descubrimiento del electrón por J.J. Thomson en 1897, estableciéndolo como una partícula fundamental.
En el vacío, un electrón obedece las leyes de Newton con su masa en reposo, y su relación energía-momento es simplemente E = p²/2m₀. Dentro de un cristal, la relación energía-momento del electrón se vuelve más compleja, con estructuras de bandas y brechas. Los físicos aproximan esto escribiendo E = p²/2m*, donde m* es la masa efectiva — un parámetro que captura cómo la red modifica la dinámica del electrón. La masa del electrón libre m₀ es la constante contra la cual se compara m*, a menudo expresada como una razón como m*/m₀ = 0.5 o 1.2.
La masa del electrón libre se utiliza como estándar en la física de semiconductores, donde los ingenieros diseñan transistores y diodos ajustando las masas efectivas mediante la elección de materiales y el dopaje. También aparece en el cálculo de frecuencias de plasma y en el modelo de Drude de conducción eléctrica en metales.
En el grafeno, los electrones se comportan como partículas sin masa con una masa efectiva de cero, moviéndose a una velocidad constante de aproximadamente 1/300 de la velocidad de la luz — un comportamiento que les valió a sus descubridores el Premio Nobel de Física en 2010.
