Il grafene e l’effetto Schwinger – Fisica cosmica simulata a tavolino
I ricercatori dell’Università di Manchester sono riusciti a osservare il cosiddetto effetto Schwinger, un processo elusivo che normalmente si verifica solo in eventi cosmici. Attraverso l’applicazione di forti correnti tramite dispositivi progettati appositamente a base di grafene, il team del National Graphene Institute è riuscito a produrre coppie particella-antiparticella da un vuoto.
Si presume che il vuoto sia uno spazio completamente libero, senza materia o particelle elementari. Tuttavia, è stato previsto dal premio Nobel Julian Schwinger 70 anni fa che intensi campi elettrici o magnetici possono rompere il vuoto e creare spontaneamente particelle elementari.
Questo richiede campi di forza veramente cosmica come quelli intorno alle magnetar o creati in modo transitorio durante le collisioni ad alta energia di nuclei carichi. È stato un obiettivo di lunga data della fisica delle particelle sondare sperimentalmente queste previsioni teoriche e alcuni sono attualmente previsti per i collisori ad alta energia in tutto il mondo.
Ora il team di ricerca guidato da un altro premio Nobel, il professor Andre Geim, in collaborazione con i colleghi di Regno Unito, Spagna, Stati Uniti e Giappone, ha utilizzato il grafene per imitare la produzione di Schwinger di coppie di elettroni e positroni.
Il grafene e l’effetto Schwinger: elettroni super luminosi e corrente elettrica superiore alle regole della fisica quantistica
Nel numero di gennaio 2022 di Science, riferiscono di dispositivi appositamente progettati come strette costrizioni e superlattici fatti di grafene, che hanno permesso ai ricercatori di ottenere campi elettrici eccezionalmente forti in un semplice setup da tavolo. La produzione spontanea di coppie di elettroni e buchi è stata chiaramente osservata (i buchi sono analoghi allo stato solido dei positroni) e i dettagli del processo erano in accordo con le previsioni teoriche.
Gli scienziati hanno anche osservato un altro insolito processo ad alta energia che finora non ha analogie nella fisica delle particelle e nell’astrofisica. Hanno riempito il loro vuoto simulato con elettroni e li hanno accelerati fino alla velocità massima consentita dal vuoto del grafene, che è 1/300 della velocità della luce.
A questo punto, è successo qualcosa di apparentemente impossibile: gli elettroni sembravano diventare super luminosi, fornendo una corrente elettrica superiore a quella consentita dalle regole generali della fisica quantistica della materia condensata. L’origine di questo effetto fu spiegata come generazione spontanea di portatori di carica aggiuntivi (buchi). La descrizione teorica di questo processo fornita dal team di ricerca è piuttosto diversa da quella di Schwinger per lo spazio vuoto.
“La gente di solito studia le proprietà elettroniche usando piccoli campi elettrici che permettono un’analisi e una descrizione teorica più facile. Abbiamo deciso di spingere la forza dei campi elettrici il più possibile utilizzando diversi trucchi sperimentali per non bruciare i nostri dispositivi“, ha dichiarato il primo autore dell’articolo, il Dr. Alexey Berduygin.
Il co-autore principale Dr. Na Xin ha aggiunto: “Ci siamo chiesti cosa potesse accadere con questi estremi. Con nostra sorpresa, era l’effetto Schwinger piuttosto che il fumo che usciva dal nostro set-up”.
Il dottor Roshan Krishna Kumar, un altro importante collaboratore, ha affermato:
“Quando abbiamo visto per la prima volta le caratteristiche spettacolari dei nostri dispositivi superlattice, abbiamo pensato, wow, potrebbe essere una sorta di nuova superconduttività . Anche se la risposta assomiglia molto a quella abitualmente osservata nei superconduttori, abbiamo presto scoperto che il comportamento sconcertante non era la superconduttività ma piuttosto qualcosa nel dominio dell’astrofisica e della fisica delle particelle. È curioso vedere tali parallelismi tra discipline lontane“.
La ricerca sulla fisica cosmica è importante anche per lo sviluppo di futuri dispositivi elettronici basati su materiali quantistici bidimensionali e stabilisce dei limiti sui cablaggi fatti con il grafene che era già noto per la sua notevole capacità di sostenere correnti elettriche altissime.
