Исследователи из Великобритании, Испании, США и Японии смогли добиться в графеновых структурах устойчивого самоусиления электрического тока через создание электрических частиц из пустоты.
Это явление предсказал физик Джулиан Швингер ещё 70 лет назад на основе формул квантовой электродинамики, но до сих пор считалось, что в земных условиях его воспроизвести невозможно.
Суть эффекта Швингера заключается в том, что сверхмощное электрическое поле как бы разрывает вакуум на пару частиц — электрон и позитрон. Законы сохранения при этом не нарушаются, потому что электрон и позитрон зеркально противоположны друг другу по электрическому заряду и другим свойствам, а энергию для появления частиц даёт электрическое поле. Это всё равно, что «разложить ноль» на 1 и −1, в сумме всё равно получается ноль.
Пары «частица-античастица» постоянно рождаются из вакуума, но в обычных условиях они тут же взаимоуничтожаются (аннигилируют), возвращая энергию обратно в вакуум. В итоге как будто ничего не происходило.
Если же это случается в очень мощном электрическом или магнитном поле — его энергии хватает, чтобы появившиеся частицы не уничтожились сразу же, а успели материализоваться. То есть, разлететься в стороны достаточно далеко, чтобы не аннигилироваться, а существовать дальше.
В природе поля такой силы можно найти у магнетаров — редкого типа нейтронных звёзд. Их магнитное поле примерно в 80 миллионов раз сильнее того, что люди смогли достичь в лаборатории без разрушения оборудования. Графен, слой углерода толщиной в один атом, позволил создать электрическое поле сравнимой силы и вызвать эффект Швингера в лабораторных условиях.
Как воспроизвели эффект Швингера в графене
Группа физиков под руководством создателя графена Андрея Гейма использовала графеновые суперрешётки («сети» из атомов углерода с неодинаковыми ячейками), сложенные особым образом. На них подавали крайне сильные электрические токи и в графене из ниоткуда появлялись дополнительные частицы-носители заряда (электроны и дырки, «позитроны» твёрдого тела), которые делали ток ещё сильнее.
Когда учёные вместе с этим довели скорость электронов до тысячи километров в секунду — сила тока превысила максимально возможную для любого вещества, при этом графен выдерживал такой ток. Это самоусиление тока через порождаемое им же электрическое поле стало возможным благодаря эффекту Швингера.
По словам одного из исследователей Алексея Бердюгина, им хотелось посмотреть, что произойдёт, если «выкрутить ток на максимум» — и к удивлению учёных, вместо дыма из установки они увидели эффект Швингера. Физик Рошан Кришна Кумар рассказал, что сначала они надеялись обнаружить сверхпроводимость в своих графеновых суперрешётках, но получили совсем другое «сверхъявление» из области астрофизики.
Открытие может привести к созданию «невозможных» (для обычных материалов) электронных устройств, но это вряд ли произойдёт в ближайшем будущем.
Получать двумерные материалы толщиной в один атом по-прежнему очень сложно и дорого — один грамм чистого графена, нужного для такой электроники, стоит 28 миллиардов долларов.
