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, возникающие во время высокоэнергетических столкновений заряженных ядер. Экспериментальное исследование этих теоретических предсказаний было давней целью физики элементарных частиц.
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.
Ученые разработали из графена специальные устройства — сверхрешетки, которые позволили им получить исключительно сильные электрические поля в простой настольной установке. Исследователям удалось четко увидеть спонтанное образование пар электронов и дырок, и детали этого 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 — 1/300 скорости света. В этот момент произошло нечто, казалось бы, невозможное: электроны стали будто бы сверхсветящимися, обеспечивая напряжение электрического тока выше, чем это допускается общими правилами квантовой физики конденсированного состояния. Происхождение этого эффекта объяснялось самопроизвольной генерацией дополнительных носителей заряда. Теоретическое описание этого процесса, предоставленное исследовательской группой, сильно отличается от описания Швингера для вакуума.
«Люди обычно изучают электронные свойства, используя крошечные электрические поля, что упрощает анализ и теоретическое описание. Мы решили максимально увеличить напряженность электрических полей, используя различные экспериментальные приемы, чтобы не сжечь наши устройства», — рассказал автор исследования Алексей Бердуйгин.
«Когда мы впервые увидели впечатляющие характеристики наших устройств на сверхрешетках, мы подумали: “Вау… это может быть новым видом сверхпроводимости”. Хотя эта реакция очень похожа на ту, которую 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», — рассказал еще один ученый, доктор Рошан Кришна Кумар.
По словам физиков, исследование важно для разработки будущих электронных устройств на основе двумерных квантовых материалов.