La physique cosmique imitée sur une table de travail comme graphène permet l’effet Schwinger.
Des chercheurs de l’université de Manchester ont réussi à observer l’effet Schwinger, un processus insaisissable qui ne se produit normalement que lors d’événements cosmiques. En appliquant des courants élevés à travers des dispositifs à base de graphène spécialement conçus, l’équipe – basée au National Graphene Institute – a réussi à produire des paires de particules-antiparticules à partir du vide.
Le vide est supposé être un espace complètement vide, sans aucune matière ni particule élémentaire. Cependant, le lauréat du prix Nobel Julian Schwinger a prédit il y a 70 ans que des champs électriques ou magnétiques intenses pouvaient rompre le vide et créer spontanément des particules élémentaires.
Pour cela, il faut des champs d’une intensité véritablement cosmique, comme ceux qui entourent les magnétars ou qui sont créés transitoirement lors de collisions à haute énergie de noyaux chargés. L’un des objectifs de longue date de la physique des particules est de vérifier ces prédictions théoriques de manière expérimentale, et certaines sont actuellement prévues pour les collisionneurs à haute énergie du monde entier.
L’équipe de recherche – dirigée par un autre lauréat du prix Nobel, le professeur Sir Andre Geim, en collaboration avec des collègues du Royaume-Uni, d’Espagne, des États-Unis et du Japon – a utilisé du graphène pour imiter la production de Schwinger de paires d’électrons et de positrons.
Dans le numéro de janvier 2022 de Scienceils font état de dispositifs spécialement conçus, tels que des constrictions étroites et des super-réseaux fabriqués à partir de graphène, qui ont permis aux chercheurs d’obtenir des champs électriques exceptionnellement puissants dans une configuration simple, sur table. La production spontanée de paires d’électrons et de trous a été clairement observée (les trous sont un analogue des positrons à l’état solide) et les détails du processus correspondent bien aux prédictions théoriques.
Les scientifiques ont également observé un autre processus inhabituel à haute énergie qui, jusqu’à présent, n’a pas d’analogie en physique des particules et en astrophysique. Ils ont rempli leur vide simulé d’électrons et les ont accélérés jusqu’à la vitesse maximale permise par le vide du graphène, soit 1/300 de la vitesse de la lumière. À ce moment-là, quelque chose d’apparemment impossible s’est produit : les électrons semblaient devenir superlumineux, fournissant un courant électrique supérieur à celui autorisé par les règles générales de la physique quantique de la matière condensée. L’origine de cet effet a été expliquée comme la génération spontanée de porteurs de charge supplémentaires (trous). La description théorique de ce processus fournie par l’équipe de recherche est assez différente de celle de Schwinger pour l’espace vide.
“Les gens étudient habituellement les propriétés électroniques en utilisant des champs électriques minuscules qui permettent une analyse et une description théorique plus faciles. Nous avons décidé de pousser la force des champs électriques autant que possible en utilisant différentes astuces expérimentales pour ne pas brûler nos appareils”, a déclaré le premier auteur de l’article, le Dr Alexey Berduygin.
Le Dr Na Xin, co-auteur principal de l’article, a ajouté : “Nous nous sommes demandé ce qui pouvait se passer à cette extrémité. À notre grande surprise, c’est l’effet Schwinger qui s’est manifesté, plutôt que de la fumée sortant de notre installation.”
Le Dr Roshan Krishna Kumar, un autre contributeur de premier plan, a déclaré : “Lorsque nous avons vu pour la première fois les caractéristiques spectaculaires de nos dispositifs à super-réseau, nous avons pensé ‘wow… il pourrait s’agir d’une sorte de nouvelle supraconductivité’. Bien que la réponse ressemble étroitement à celle observée couramment dans les supraconducteurs, nous avons rapidement constaté que le comportement déroutant n’était pas de la supraconductivité mais plutôt quelque chose du domaine de l’astrophysique et de la physique des particules. Il est curieux de voir de tels parallèles entre des disciplines éloignées.”
La recherche est également importante pour le développement de futurs dispositifs électroniques basés sur des matériaux quantiques bidimensionnels et établit des limites sur les câblages fabriqués à partir de graphène qui était déjà connu pour sa remarquable capacité à soutenir des courants électriques ultra-hauts.
Référence : “Criticités hors d’équilibre dans les super-réseaux de graphène” 27 janvier 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abi8627
