Ученые из Манчестерского университета впервые в истории провели прямые экспериментальные наблюдения за так называемым эффектом Швингера (Schwinger effect), неуловимым эффектом, который может происходить только в области высокоэнергетических космических событий, таких, как взрывы сверхновых, столкновения нейтронных звезд и черных дыр. Прикладывая электрические токи с очень высоким потенциалом к специально разработанным графеновым устройствам, ученым удалось получить пары частица-античастица буквально из ничего, из глубокого вакуума.
Согласно существующим теориям вакуум является совершенно пустым пространством, в котором отсутствует любая материя и даже элементарные частицы. Однако, 70 лет назад Нобелевский лауреат Джулиан Швингер предсказал, что сильнейшие электрические и магнитные поля могут сломать основу вакуума (пространственно-временного континуума), что приведет к спонтанному появлению пар частица-античастица, так называемых пар Швингера.
Такой эффект требует участия сил поистине космологических масштабов - магнитных полей, сравнимых по силам с полями магнетаров, или электрических потенциалов, возникающих при столкновениях высокоэнергетических компактных космических объектов. Исследование таких процессов и явлений является одним из главных направлений в современной физике и для реализации таких исследований уже запланировано строительство новых высокоэнергетических установок-коллайдеров.
Однако исследовательская группа из Манчестера, возглавляемая еще одним Нобелевским лауреатом - профессором сэром Андреем Геймом, использовала графен для получения производства пар позитрон-электрон при помощи эффекта Швингера.
Ученые изготовили из графена ряд устройств, таких, как узкие переходы и суперрешетки, при помощи которых были получены сильнейшие электрические поля в пределах достаточно простой установки, помещающейся на обычном рабочем столе. И ученым удалось четко наблюдать появление пар электронов и электронных дырок, которые являются своего рода твердотельным аналогом позитрона. При этом, все характеристики процесса производства частиц и античастиц полностью согласовывались с существующими теоретическими прогнозами.
Кроме рождения пар Швингера ученым удалось наблюдать еще один необычный высокоэнергетический процесс, у которого пока еще не существует аналогий ни в физике элементарных частиц, ни в астрофизике. Когда ученые заполнили область вакуума между слоями графена электронами и ускорили эти электроны до скорости в 1/300 от скорости света, эти электроны вдруг стали своего рода сверхъяркими, их движение смогло обеспечить гораздо больший электрический ток, чем это позволено общими правилами квантовой физики конденсированного вещества.
Объяснением этому эффекту стало самопроизвольное возникновение дополнительных носителей заряда, электронных дырок. А теоретическое описание данного процесса весьма сильно отличается от теории Швингера, применимой к вакууму.
Сейчас еще тяжело предсказать, к каким последствиям в физике, электронике и других смежных областях могут привести данные достижения. Но сомневаться не приходится, что все это может привести к появлению электронных устройств на основе квантовых двумерных материалов, работающих на совершенно новых физических принципах.