Электрон, не связанный с кристаллом, используемый как эталон для сравнения значений эффективной массы.Свободный электрон — это электрон, не связанный с атомом, молекулой или кристаллической решёткой. В физике твёрдого тела он служит эталонной точкой отсчёта: масса свободного электрона (m₀) является базовой величиной, относительно которой измеряется «эффективная масса» электронов, движущихся через кристалл. Когда электрон проходит через полупроводник или металл, его реакция на электрические поля изменяется периодическим потенциалом решётки, из-за чего он ведёт себя так, как если бы имел другую массу — иногда меньшую, иногда большую, а в экзотических случаях даже отрицательную. Свободный электрон — это чистый, невозмущённый случай, от которого определяются все эти отклонения.
Концепция эффективной массы была введена в 1920-х годах Рудольфом Пайерлсом и Феликсом Блохом, когда квантовая механика начала применяться к твёрдым телам. Сам свободный электрон был идентифицирован ранее: открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году установило его как фундаментальную частицу.
В вакууме электрон подчиняется законам Ньютона со своей массой покоя, и его энергетически-импульсное соотношение просто E = p²/2m₀. Внутри кристалла энергетически-импульсное соотношение электрона становится более сложным, с зонной структурой и запрещёнными зонами. Физики аппроксимируют это, записывая E = p²/2m*, где m* — эффективная масса, параметр, который учитывает, как решётка модифицирует динамику электрона. Масса свободного электрона m₀ — это константа, с которой сравнивается m*, часто выражаемая в виде отношения, например m*/m₀ = 0.5 или 1.2.
Масса свободного электрона используется как стандарт в физике полупроводников, где инженеры проектируют транзисторы и диоды, настраивая эффективные массы с помощью выбора материала и легирования. Она также фигурирует в расчётах плазменных частот и в модели Друде для электропроводности металлов.
В графене электроны ведут себя как безмассовые частицы с нулевой эффективной массой, двигаясь с постоянной скоростью около 1/300 скорости света — поведение, которое принесло его первооткрывателям Нобелевскую премию по физике в 2010 году.
