宇宙物理学的突破：科学家从真空中产生粒子

曼彻斯特大学的研究人员成功地观察到了所谓的“施温格效应”（Schwinger effect），这是一个难以捉摸的过程，通常只发生在宇宙事件中。通过通过专门设计的基于石墨烯的设备施加高电流，该团队--位于国家石墨烯研究所--成功地从真空中产生了粒子-反粒子对。

真空被认为没有任何物质或基本粒子。然而，诺贝尔奖得主朱利安·施温格（Julian Schwinger）在70年前就预言，强烈的电场或磁场可以打破真空并自发地创造基本粒子。

这需要真正具有宇宙强度的场，如磁星周围的场，或在带电核的高能碰撞中横向产生的场。粒子物理学的一个长期目标是通过实验来探测这些理论预测，目前在世界各地的高能对撞机上计划了一些实验。

现在，研究小组--由另一位诺贝尔奖获得者安德烈·海姆爵士教授领导，与来自英国、西班牙、美国和日本的同事合作--已经使用石墨烯来模拟施温格产生的电子和正电子对。

在2022年1月的《科学》杂志上，他们报告了特别设计的装置，如由石墨烯制成的狭窄收缩体和超晶格，这使得研究人员能够在一个简单的、桌面上的装置中实现异常强大的电场。清楚地观察到了电子和空穴对的自发产生（空穴是正电子的固态类似物），该过程的细节与理论预测非常一致。

科学家们还观察到另一个不寻常的高能过程，到目前为止，在粒子物理学和天体物理学中还没有类似的过程。他们在模拟的真空中注入电子，并将其加速到石墨烯真空所允许的最大速度，即光速的1/300。 在这一点上，一些看似不可能的事情发生了：电子似乎变得超光，提供的电流高于量子凝聚态物理学的一般规则所允许的电流。这种效应的起源被解释为自发地产生了额外的电荷载体（空穴）。研究小组提供的对这一过程的理论描述与施温格对的描述相当不同。

“人们通常使用微小的电场来研究电子特性，这使得分析和理论描述更加容易。”论文的第一作者 Alexey Berduygin博士说：“我们决定使用不同的实验技巧尽可能地推动电场的强度，以免烧毁我们的设备。”

共同第一作者Na Xin博士补充说：“我们只是想知道在这种极端情况下会发生什么。令我们惊讶的是，这是施温格效应，而不是从我们的装置中喷出的烟雾。”

另一位主要贡献者Roshan Krishna Kumar博士说：“当我们第一次看到我们的超晶格装置的壮观特性时，我们想'哇......这可能是某种新的超导性’。尽管这种反应与在超导体中常规观察到的反应非常相似，但我们很快发现，这种令人困惑的行为不是超导，而是天体物理学和粒子物理学领域的东西。在遥远的学科之间看到这样的相似之处是很奇怪的。”

这项研究对于未来基于二维量子材料的电子设备的发展也很重要，并为由石墨烯制成的布线建立了限制，而石墨烯已经因其维持超高电流的卓越能力而闻名。