Cientistas simulam um processo indescritível de energia cósmica dentro de partículas de grafeno que promete revolucionar os dispositivos eletrônicos no mundo

 

Os experimentos demonstraram sua importância para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos baseados em materiais quânticos bidimensionais e estabeleceram os limites da fiação feita de grafeno, que já era conhecida por sua notável capacidade de sustentar correntes elétricas ultraelevadas.

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Manchester conseguiu 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 – com sede no Instituto Nacional de Grafeno – conseguiu produzir eletricidade a partir do vazio ao recriar a força cósmica de partículas de nêutrons no grafeno.

Presume-se que um vácuo seja um espaço completamente vazio, sem qualquer matéria ou partículas elementares. No entanto, foi previsto pelo ganhador do Nobel Julian Schwinger há 70 anos que campos elétricos ou magnéticos intensos podem quebrar o vácuo e criar espontaneamente partículas elementares.

 

Isso requer campos verdadeiramente de força cósmica, como aqueles ao redor de magnetares ou criados transitoriamente durante colisões de alta energia de núcleos carregados. Tem sido um objetivo de longa data da física de partículas sondar essas previsões teóricas experimentalmente e algumas estão atualmente planejadas para colisores de alta energia em todo o mundo.

 

Agora, uma equipe de pesquisa internacional liderada por Manchester – liderada por outro ganhador do Nobel, o Prof. Andre Geim, em colaboração com colegas do Reino Unido, Espanha, EUA e Japão – usou grafeno para imitar a produção Schwinger de pares de elétrons e pósitrons.

 

Grafeno permitiu que os cientistas alcançassem campos elétricos excepcionalmente fortes

Na edição de janeiro de 2022 da Science, eles relatam dispositivos especialmente projetados, como constrições estreitas e super-redes feitas de grafeno, o que permitiu que os pesquisadores alcançassem campos elétricos excepcionalmente fortes. A produção espontânea de pares de elétrons e buracos foi claramente observada (os buracos são um análogo de estado sólido de partículas subatômicas chamadas pósitrons) e os detalhes do processo concordaram bem com as previsões teóricas.

 

Os cientistas também observaram outro processo incomum de alta energia que até agora não tem analogias na física de partículas e astrofísica. Eles encheram seu vácuo simulado com elétrons e os aceleraram até a velocidade máxima permitida pelo vácuo do grafeno, que é 1/300 da velocidade da luz. Neste ponto, algo aparentemente impossível aconteceu: os elétrons pareciam se tornar superluminosos, fornecendo uma corrente elétrica maior do que o permitido pelas regras gerais da física quântica da matéria condensada. A origem desse 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 Schwinger para o espaço vazio.

 

“As pessoas geralmente estudam propriedades eletrônicas usando minúsculos campos elétricos que permitem uma análise mais fácil e descrição teórica. Decidimos empurrar a força dos campos elétricos o máximo possível usando diferentes truques experimentais para não queimar nossos dispositivos”, disse o primeiro autor do artigo, Dr. Alexey Berduygin, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Manchester.

 

O coautor principal do mesmo departamento, Dr. Na Xin, acrescentou: “Nós apenas nos perguntamos o que poderia acontecer nesse extremo. Para nossa surpresa, foi o efeito Schwinger em vez de fumaça saindo da nossa configuração.”

 

Outro dos principais colaboradores, o Dr. Roshan Krishna Kumar, do Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona, disse: “Quando vimos pela primeira vez as características espetaculares de nossos dispositivos de superrede, pensamos ‘uau … poderia ser algum tipo de nova supercondutividade’. Embora a resposta se assemelhe muito às rotineiramente observadas nos 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.”

 

Os experimentos demonstraram sua importância para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos baseados em materiais quânticos bidimensionais e estabeleceram os limites da fiação feita de grafeno, que já era conhecida por sua notável capacidade de sustentar correntes elétricas ultraelevadas.

 

Mais informações: Alexey I. Berdyugin et al, Criticidades fora de equilíbrio em super-redes de grafeno, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abi8627. www.science.org/doi/10.1126/science.abi8627. Fornecido por Universidade de Manchester

FONTE