Вакуум считается совершенно пустым пространством, в котором нет никакой материи или элементарных частиц. Однако 70 лет назад лауреат Нобелевской премии Джулиан Швингер предсказал, что сильные электрические или магнитные поля могут разрушать вакуум и спонтанно создавать элементарные частицы.
Для этого требуются поля действительно космической силы, такие как поля вокруг магнетаров или возникающие временно во время высокоэнергетических столкновений заряженных ядер. Экспериментальное исследование этих теоретических предсказаний было давней целью физики элементарных частиц, и некоторые из них в настоящее время планируются для коллайдеров высоких энергий по всему миру.
Теперь исследовательская группа, возглавляемая другим лауреатом Нобелевской премии, профессором сэром Андре Геймом в сотрудничестве с коллегами из Великобритании, Испании, США и Японии, использовала графен для имитации Швингеровского производства пар электронов и позитронов.
В авторитетном журнале Science ученые сообщают о специально разработанных устройствах, таких как узкие сужения и сверхрешетки, сделанные из графена, которые позволили исследователям получить исключительно сильные электрические поля в простой настольной установке. Спонтанное образование пар электронов и дырок четко наблюдалось (дырки являются твердотельным аналогом позитронов), и детали процесса хорошо согласовывались с теоретическими предсказаниями.
Ученые также наблюдали еще один необычный высокоэнергетический процесс, который пока не имеет аналогов в физике элементарных частиц и астрофизике. Они заполнили смоделированный вакуум электронами и разогнали их до максимальной скорости, допускаемой вакуумом графена, которая составляет 1/300 скорости света. В этот момент произошло нечто, казалось бы, невозможное: электроны как бы стали сверхсветящимися, обеспечивая электрический ток выше, чем это допускается общими правилами квантовой физики конденсированного состояния. Происхождение этого эффекта объяснялось самопроизвольной генерацией дополнительных носителей заряда (дырок). Теоретическое описание этого процесса, предоставленное исследовательской группой, сильно отличается от описания Швингера для пустого пространства.
Доктор Рошан Кришна Кумар, ведущий участник исследования, сказал:
Когда мы впервые увидели впечатляющие характеристики наших устройств на сверхрешетках, мы подумали: "Вау… это может быть какая-то новая сверхпроводимость". Хотя реакция очень похожа на реакцию, обычно наблюдаемую в сверхпроводниках, вскоре мы обнаружили, что загадочное поведение связано не со сверхпроводимостью, а скорее с чем-то из области астрофизики и физики элементарных частиц. Любопытно видеть такие параллели между далекими дисциплинами.
Исследование также важно для разработки будущих электронных устройств на основе двумерных квантовых материалов и устанавливает ограничения на проводку из графена, которая уже была известна своей замечательной способностью выдерживать сверхвысокие электрические токи.