Pesquisadores da Universidade de Manchester, no Reino Unido, conseguiram observar o chamado efeito Schwinger, um processo indescritível que normalmente ocorre apenas em eventos cósmicos. Ao aplicar altas correntes através de dispositivos baseados em grafeno especialmente projetados, a equipe – sediada no National Graphene Institute – conseguiu produzir pares de partículas-antipartículas a partir do vácuo.
Um vácuo é assumido como um espaço completamente vazio, sem qualquer matéria ou partículas elementares. No entanto, há 70 anos, o ganhador do Prêmio Nobel Julian Schwinger previu que campos elétricos ou magnéticos intensos podem quebrar o vácuo e criar partículas elementares espontaneamente.
Isso requer campos de força verdadeiramente cósmica, como aqueles em torno de magnetares ou criados brevemente durante colisões de alta energia de núcleos carregados. Tem sido um objetivo de longa data da física de partículas investigar essas previsões teóricas experimentalmente e algumas estão atualmente planejadas para colisores de alta energia em todo o mundo.
Agora, porém, os pesquisadores – liderados por outro ganhador do Nobel, Sir Andre Geim, em colaboração com colegas do Reino Unido, Espanha, EUA e Japão – usaram grafeno para imitar a produção de Schwinger de pares de elétrons e pósitrons.
Em um artigo na Science , eles relatam dispositivos especialmente projetados feitos de grafeno, incluindo estreitas constrições e super-redes, o que lhes permitiu alcançar campos elétricos excepcionalmente fortes em uma configuração simples de mesa. A produção espontânea de pares de elétrons e buracos foi claramente observada (buracos são um análogo de estado sólido de pósitrons), e os detalhes do processo concordaram bem com as previsões teóricas.
Os pesquisadores também observaram outro processo incomum de alta energia que até agora não tem analogias na física de partículas ou astrofísica. Eles preencheram o vácuo simulado com elétrons e os aceleraram até a velocidade máxima permitida pelo vácuo do grafeno, que é 1/300 da velocidade da luz. Nesse ponto, algo aparentemente impossível aconteceu: os elétrons pareciam se tornar superluminosos, fornecendo uma corrente elétrica mais alta do que o permitido pelas regras gerais da física quântica da matéria condensada.
A origem deste efeito foi explicada como geração espontânea de portadores de carga adicionais (buracos). A descrição teórica desse processo fornecida pela equipe de pesquisa é bastante diferente da de Schwinger para o espaço vazio.
“As pessoas costumam estudar as propriedades eletrônicas usando minúsculos campos elétricos que permitem uma análise e descrição teórica mais fáceis. Decidimos aumentar a força dos campos elétricos o máximo possível usando diferentes truques experimentais para não queimar nossos dispositivos”, explicou o primeiro autor do artigo, Alexey Berduygin, da Universidade de Manchester.
“Nós apenas nos perguntamos o que poderia acontecer nesse extremo”, acrescentou Na Xin, também da Universidade de Manchester. “Para nossa surpresa, foi o efeito Schwinger em vez de fumaça saindo de nossa configuração.”
“Quando vimos pela primeira vez as características espetaculares de nossos dispositivos de superrede, pensamos ‘uau… poderia ser algum tipo de nova supercondutividade’”, disse Roshan Krishna Kumar, outro importante colaborador da Universidade de Manchester. “Embora a resposta se assemelhe à observada rotineiramente em supercondutores, logo descobrimos que o comportamento intrigante não era supercondutividade, mas sim algo no domínio da astrofísica e da física de partículas. É curioso ver tais paralelos entre disciplinas distantes.”
Esta pesquisa também é importante para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos baseados em materiais quânticos bidimensionais. Ele estabelece limites para a fiação feita de grafeno, que já era conhecido por sua notável capacidade de sustentar correntes elétricas ultra-altas.
Fonte:
https://www.materialstoday.com/carbon/news/graphene-enters-the-cosmic-realm/
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Artigo original:
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