Wizualizacja efektu Schwingera

Do tej pory wydawało się, że występuje tylko w kosmosie. Efekt Schwingera uchwycony w laboratorium

Naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze zaobserwowali tzw. efekt Schwingera, który zazwyczaj występuje tylko w przypadku zjawisk kosmicznych. Uczonym po raz pierwszy udało się wytworzyć pary cząstka-antycząstka w próżni.

Zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy, próżnia jest całkowicie pustą przestrzenią, pozbawioną materii i cząstek elementarnych. 70 lat temu – laureat Nagrody Nobla, Julian Schwinger – przewidział, że intensywne pole elektryczne lub magnetyczne może odmienić próżnię i wypełnić ją cząstkami elementarnymi. Konieczne jest jednak silne pole elektryczne, jak to powstające wokół magnetarów lub podczas wysokoenergetycznych zderzeń naładowanych jąder. Fizycy od dawna próbują sprawdzić te teoretyczne przewidywania, ale wciąż się to nie udawało.

Czytaj: Cząstki X znowu wykryte! Tym razem w plazmie kwarkowo-gluonowej

Uczeni z Uniwersytetu w Manchesterze – kierowani przez prof. Andre Geima, laureata Nagrody Nobla – wykorzystali grafen do symulowania efektu Schwingera i naśladowania produkcji par elektronów i pozytonów (cząstek i antycząstek). Wyniki zostały opublikowane w styczniowym Science.

Cząstki i antycząstki z próżni

Brytyjscy naukowcy zaprojektowali specjalne urządzenia grafenowe, które pozwoliły na wytworzenie wyjątkowo silnego pola elektrycznego w prostym układzie. Zaobserwowano spontaniczne tworzenie par elektronów i dziur (które są półprzewodnikowym analogiem pozytonów) – mechanizm zgadzał się z przewidywaniami teoretycznymi.

Uczeni wypełnili symulowaną próżnię elektronami i rozpędzili je do maksymalnej prędkości, na jaką pozwala grafenowa próżnia, czyli 1/300 prędkości światła. Elektrony świeciły coraz intensywniej, dostarczając prąd elektryczny większy niż pozwalają ogólne zasady fizyki kwantowej. Efekt ten wyjaśniono jako spontaniczną generację dodatkowych nośników ładunku (dziur).

Ludzie zazwyczaj badają właściwości elektryczne używając małych pól elektrycznych, co pozwala na łatwiejszą analizę i opis teoretyczny. My postanowiliśmy zwiększyć siłę pola elektrycznego tak bardzo, jak to tylko możliwe, używając różnych sztuczek eksperymentalnych, aby nie spalić naszych urządzeń.

dr Alexey Berduygin z Uniwersytetu w Manchesterze, jeden z kierowników badania

Badania są ważne dla rozwoju przyszłych urządzeń elektronicznych opartych na grafenie i materiałach kwantowych.

Kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy spektakularne właściwości naszych urządzeń, pomyśleliśmy: „wow – to może być jakiś nowy rodzaj nadprzewodnictwa!” Chociaż reakcja przypomina te rutynowo obserwowane w nadprzewodnikach, wkrótce okazało się, że zagadkowe zachowanie nie jest nadprzewodnictwem, ale raczej czymś z dziedziny astrofizyki i fizyki cząstek. To ciekawe widzieć takie podobieństwa między odległymi dyscyplinami.

dr Roshan Krishna Kumar z Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie, który brał udział w badaniach