曼徹斯特大學(xué)的研究人員成功地觀察到了所謂的“施溫格效應(yīng)”（Schwinger effect），這是一個(gè)難以捉摸的過程，通常只發(fā)生在宇宙事件中。通過通過專門設(shè)計(jì)的基于石墨烯的設(shè)備施加高電流，該團(tuán)隊(duì)--位于國家石墨烯研究所--成功地從真空中產(chǎn)生了粒子-反粒子對(duì)。
真空被認(rèn)為沒有任何物質(zhì)或基本粒子。然而，諾貝爾獎(jiǎng)得主朱利安·施溫格（Julian Schwinger）在70年前就預(yù)言，強(qiáng)烈的電場或磁場可以打破真空并自發(fā)地創(chuàng)造基本粒子。
這需要真正具有宇宙強(qiáng)度的場，如磁星周圍的場，或在帶電核的高能碰撞中橫向產(chǎn)生的場。粒子物理學(xué)的一個(gè)長期目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)來探測這些理論預(yù)測，目前在世界各地的高能對(duì)撞機(jī)上計(jì)劃了一些實(shí)驗(yàn)。
現(xiàn)在，研究小組--由另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者安德烈·海姆爵士教授領(lǐng)導(dǎo)，與來自英國、西班牙、美國和日本的同事合作--已經(jīng)使用石墨烯來模擬施溫格產(chǎn)生的電子和正電子對(duì)。
在2022年1月的《科學(xué)》雜志上，他們報(bào)告了特別設(shè)計(jì)的裝置，如由石墨烯制成的狹窄收縮體和超晶格，這使得研究人員能夠在一個(gè)簡單的、桌面上的裝置中實(shí)現(xiàn)異常強(qiáng)大的電場。清楚地觀察到了電子和空穴對(duì)的自發(fā)產(chǎn)生（空穴是正電子的固態(tài)類似物），該過程的細(xì)節(jié)與理論預(yù)測非常一致。
科學(xué)家們還觀察到另一個(gè)不尋常的高能過程，到目前為止，在粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)中還沒有類似的過程。他們在模擬的真空中注入電子，并將其加速到石墨烯真空所允許的最大速度，即光速的1/300。 在這一點(diǎn)上，一些看似不可能的事情發(fā)生了：電子似乎變得超光，提供的電流高于量子凝聚態(tài)物理學(xué)的一般規(guī)則所允許的電流。這種效應(yīng)的起源被解釋為自發(fā)地產(chǎn)生了額外的電荷載體（空穴）。研究小組提供的對(duì)這一過程的理論描述與施溫格對(duì)的描述相當(dāng)不同。
“人們通常使用微小的電場來研究電子特性，這使得分析和理論描述更加容易。”論文的第一作者 Alexey Berduygin博士說：“我們決定使用不同的實(shí)驗(yàn)技巧盡可能地推動(dòng)電場的強(qiáng)度，以免燒毀我們的設(shè)備?！?/p>
共同第一作者Na Xin博士補(bǔ)充說：“我們只是想知道在這種極端情況下會(huì)發(fā)生什么。令我們驚訝的是，這是施溫格效應(yīng)，而不是從我們的裝置中噴出的煙霧。”
另一位主要貢獻(xiàn)者Roshan Krishna Kumar博士說：“當(dāng)我們第一次看到我們的超晶格裝置的壯觀特性時(shí)，我們想‘哇......這可能是某種新的超導(dǎo)性’。盡管這種反應(yīng)與在超導(dǎo)體中常規(guī)觀察到的反應(yīng)非常相似，但我們很快發(fā)現(xiàn)，這種令人困惑的行為不是超導(dǎo)，而是天體物理學(xué)和粒子物理學(xué)領(lǐng)域的東西。在遙遠(yuǎn)的學(xué)科之間看到這樣的相似之處是很奇怪的?！?/p>
這項(xiàng)研究對(duì)于未來基于二維量子材料的電子設(shè)備的發(fā)展也很重要，并為由石墨烯制成的布線建立了限制，而石墨烯已經(jīng)因其維持超高電流的卓越能力而聞名。
