Enviando elevadas corrientes eléctricas a través del grafeno, un material muy fino, los investigadores han simulado el llamado efecto Schwinger. Este fenómeno físico, en el que se crean pares de partículas y antipartículas, normalmente solo se produce durante eventos cósmicos.
El efecto Schwinger, predicho hace 70 años por el premio Nobel estadounidense Julian Schwinger, se produce en el vacío. Se trata de un espacio completamente vacío en el que no se encuentra ni una sola partícula. Según Schwinger, las partículas pueden formarse espontáneamente en dicho vacío si existe un potente campo eléctrico o magnético. El intenso campo se descompone entonces en pares de partículas formados por electrones y sus antipartículas llamadas positrones.
El efecto Schwinger requiere campos eléctricos o magnéticos extremadamente fuertes, que únicamente se dan alrededor de los magnetares (estrellas de neutrones con campos magnéticos extremadamente fuertes) o se producen brevemente durante las colisiones entre núcleos atómicos cargados. Los imanes no pueden reproducirse en la Tierra, pero el acelerador de partículas LHC del CERN, en Ginebra, está especializado en colisiones de partículas. Sin embargo, nadie ha conseguido aún crear las condiciones para el efecto Schwinger en la Tierra, señala el físico Alexey Berdyugin, de la Universidad de Manchester. Las colisiones en el LHC aún no son lo suficientemente potentes para ello.
Cuasipartículas
El equipo de Berdyugin ha reproducido ahora en el grafeno este efecto, que se produce en el vacío. Los investigadores lo hicieron con un montaje extraordinariamente pequeño, que incluso cabe en una mesa. Sus resultados aparecen en la revista científica Science.
Afortunadamente, para nosotros, existe una analogía para la creación de las partículas de Schwinger en los materiales sólidos", señala por correo electrónico Roshan Krishna Kumar, uno de los otros investigadores. Esta analogía no se refiere a electrones sueltos en el vacío, sino a electrones que se mueven a través de un material. Estos electrones se comportan de forma ligeramente diferente a los sueltos. La carga es la misma, pero la masa es menor. Como solo existen en un material, también se denominan "cuasipartículas".
Si el campo eléctrico es lo suficientemente alto, los electrones saltan a un estado de energía superior en el material", dice Berdyugin. Al hacerlo, dejan atrás un estado energético "vacío". Este estado vacío se comporta en la materia como una partícula. Esto también se llama "agujero". El alto campo eléctrico crea así un par de cuasipartículas formado por un electrón y un "agujero". Este proceso es una analogía directa del efecto Schwinger en el vacío en el que se forma un par electrón-positrón.
Casualmente en un pequeño laboratorio
Los investigadores no esperaban observar el efecto Schwinger en su montaje. Estábamos probando las propiedades eléctricas del grafeno cuando una corriente extremadamente fuerte lo atraviesa", dice Kumar. Al hacerlo, buscamos la máxima corriente que puede fluir a través de él". Los investigadores vieron que podían aumentar la corriente más de lo esperado. Esto resultó ser porque se forman pares de Schwinger. Estos pueden moverse libremente a través del grafeno y contribuir así a la conducción de la corriente.
Kumar: "Al principio pensamos que estábamos viendo una nueva forma de superconductividad. Pero resultó ser el efecto Schwinger".
Este descubrimiento no solo permite estudiar una analogía del efecto Schwinger en la Tierra. También es importante para comprender mejor las propiedades eléctricas del grafeno, que a menudo se presenta como un material milagroso con numerosas aplicaciones. Al tratarse de investigadores del grafeno en particular, el grupo de investigación se centrará en seguir trazando el comportamiento eléctrico.
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