人們認(rèn)為真空不包含物質(zhì)或基本粒子。然而，諾貝爾獎(jiǎng)得主朱利安·施溫格(Julian Schwinger) 70 年前就預(yù)測(cè)，強(qiáng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)可能會(huì)打破真空并自發(fā)產(chǎn)生基本粒子。

這需要真正具有宇宙強(qiáng)度的場(chǎng)，例如磁星周?chē)膱?chǎng)，或帶電核高能碰撞中橫向產(chǎn)生的場(chǎng)。粒子物理學(xué)的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這些理論預(yù)測(cè)，目前世界各地計(jì)劃在高能對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在，由另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者安德烈·海姆教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與來(lái)自英國(guó)、西班牙、美國(guó)和日本的同事合作，已經(jīng)使用石墨烯來(lái)模擬施溫格產(chǎn)生的結(jié)果。電子和正電子對(duì)。

在2022 年1 月號(hào)的期刊《科學(xué)》 中，他們報(bào)道了專門(mén)設(shè)計(jì)的設(shè)備，例如由石墨烯制成的窄收縮器和超晶格，這使得研究人員能夠結(jié)合實(shí)現(xiàn)極其強(qiáng)大的電場(chǎng)。電子和空穴對(duì)（空穴是正電子的固態(tài)類(lèi)似物）的自發(fā)產(chǎn)生被清楚地觀察到，并且該過(guò)程的細(xì)節(jié)與理論預(yù)測(cè)非常吻合。

科學(xué)家們還觀察到了另一種不尋常的高能過(guò)程，迄今為止在粒子物理學(xué)和天體物理學(xué)中還沒(méi)有類(lèi)似的過(guò)程。他們將電子注入模擬真空中，并將其加速到石墨烯真空允許的最大速度，即光速的1/300。此時(shí)，看似不可能的事情發(fā)生了：電子似乎變得超發(fā)光，提供比量子凝聚態(tài)物理一般規(guī)則允許的更高的電流。這種效應(yīng)的起源被解釋為額外電荷載流子（空穴）的自發(fā)產(chǎn)生。研究團(tuán)隊(duì)提供的這一過(guò)程的理論描述與施溫格的描述有很大不同。

“人們通常利用微小的電場(chǎng)來(lái)研究電子特性，這使得分析和理論描述變得更加容易?！痹撜撐牡牡谝蛔髡逜lexey Berduygin 博士說(shuō)：“我們決定使用不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)盡可能提高電場(chǎng)的強(qiáng)度，以免燒毀我們的設(shè)備?！?

共同第一作者那辛博士補(bǔ)充道：“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)，而不是從我們的設(shè)備中噴出的煙霧?！?

另一位主要貢獻(xiàn)者Roshan Krishna Kumar 博士說(shuō)：“當(dāng)我們第一次看到我們的超晶格器件的驚人特性時(shí)，我們想‘哇.這可能是一些新的超導(dǎo)體’特性?！北M管這種反應(yīng)與在超導(dǎo)體中經(jīng)常觀察到，我們很快發(fā)現(xiàn)這種令人費(fèi)解的行為不是超導(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)科之間看到如此相似的現(xiàn)象很奇怪?！?

這項(xiàng)研究對(duì)于基于二維量子材料的未來(lái)電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)也很重要，并為石墨烯制成的布線確定了限制，石墨烯以其維持超高電流的卓越能力而聞名。