Физики увидели аналог рождения электрон-позитронных пар из вакуума под действием электрического поля большой напряженности, исследуя проводимость графенового транзистора. Поведение электронов и дырок в этом материале повторяет высокоэнергетическое поведение электронов и позитронов в вакууме и допускает спонтанное рождение пар частица-античастица при существенно меньших электрических полях, чем предсказывал Швингер. Ученые обнаружили такое рождение по поведению проводимости образца в зависимости от приложенного к транзистору напряжения.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

Объединение квантовой механики и специальной теории относительности позволило Дираку предсказать существование позитрона как состояния электрона с энергией, принадлежащей отрицательному континууму. Со временем эта идея вылилась в море Дирака – вакуумную модель, напоминающую таковую для электронов и дырок в полупроводнике. И хотя эта модель впоследствии была заменена полноценной квантовой теорией поля, ее иногда используют для наглядной иллюстрации некоторых физических эффектов.

Одним из примеров этого стало описание швингеровского рождения электрон-позитронных пар в электрических полях, превышающих некоторый предел — 1,32×10¹⁸ вольт на метр. В дираковской модели влияние такого поля можно представить в виде треугольного барьера между отрицательным позитронным и положительным электронным континуумами шириной в одну комптоновскую длину волны электрона. При критической напряженности поля положительный континуум опускается достаточно низко, чтобы электрон смог туннелировать в него, оставив в отрицательном континууме позитрон.

Объяснение эффекта Швингера через море Дирака / A. Schmitt et al. / Nature Physics, 2023

В квантовой электродинамике этот эффект получил иную интерпретацию: в ней фотоны перманентно участвуют в процессах квантовых флуктуаций, которые заключаются в краткосрочном рождении и уничтожении виртуальной электрон-позитронной пары.