Door hoge elektrische stromen door het flinterdunne materiaal grafeen te sturen, hebben onderzoekers het zogeheten Schwinger-effect nagebootst. Dit natuurkundige fenomeen, waarbij paren van deeltjes en antideeltjes ontstaan, vindt normaal enkel plaats bij kosmische gebeurtenissen.

Het Schwinger-effect, dat zeventig jaar geleden voorspeld werd door de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Julian Schwinger, treedt op in een vacuüm. Dat is een compleet lege ruimte waarin geen enkel deeltje te vinden is. Volgens Schwinger kunnen er in zo’n leegte spontaan deeltjes ontstaan als er een krachtig elektrisch of magnetisch veld aanwezig is. Het intense veld valt dan uiteen in deeltjesparen die bestaan uit elektronen en hun antideeltjes genaamd positronen.

Het Schwinger-effect vereist extreem sterke elektrische of magnetische velden, die enkel voorkomen rond magnetars – neutronensterren met een extreem sterk magnetisch veld – of kortstondig ontstaan tijdens botsingen tussen geladen atoomkernen. Magnetars kunnen we niet namaken op aarde, maar de deeltjesversneller LHC bij CERN in Genève is gespecialiseerd in deeltjesbotsingen. Toch is het tot nu toe niemand gelukt om op aarde de omstandigheden te creëren voor het Schwinger-effect, mailt natuurkundige Alexey Berdyugin van de universiteit van Manchester. De botsingen in de LHC zijn daarvoor nog niet krachtig genoeg.

De Amazone verandert in savanne – we hebben nog vijf jaar om het gebied te redden 
LEES OOK
De Amazone verandert in savanne – we hebben nog vijf jaar om het gebied te redden 

Quasideeltjes

Berdyugins team heeft dit effect, dat plaatsvindt in vacuüm, nu nagebootst in grafeen. Dat deden de onderzoekers met een opvallend kleine opstelling, die zelfs op een tafel past. Hun resultaten verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

‘Gelukkig voor ons is er een analogie voor de creatie van Schwinger-deeltjes in vaste materialen’, mailt Roshan Krishna Kumar, een van de andere onderzoekers. In die analogie gaat het niet over losse elektronen in een vacuüm, maar over elektronen die door een materiaal bewegen. Deze elektronen gedragen zich iets anders dan losse exemplaren. De lading is hetzelfde maar de massa is lager. Omdat ze alleen in een materiaal bestaan worden ze ook wel ‘quasideeltjes’ genoemd.

‘Bij een voldoende hoog elektrisch veld verspringen de elektronen naar een hogere energietoestand in het materiaal’, vertelt Berdyugin. ‘Daarmee laten ze een ‘lege’ energietoestand achter.’ Die lege toestand gedraagt zich in het materiaal als een deeltje. Dit wordt ook wel een ‘gat’ genoemd. Door het hoge elektrische veld ontstaat er dus een quasideeltjes-paar dat bestaat uit een elektron en een ‘gat’. ‘Dit proces is een directe analogie van het Schwinger-effect in vacuüm waarbij een elektron-positron-paar ontstaat.’

Toevallig in een kleine labopstelling

De onderzoekers hadden niet verwacht om het Schwinger-effect waar te nemen in hun opstelling. ‘We waren de elektrische eigenschappen van grafeen aan het testen wanneer er een extreem sterke stroom doorheen loopt’, vertelt Kumar. ‘Daarbij zochten we naar de maximale stroom die er doorheen kan lopen.’ De onderzoekers zagen dat ze de stroom verder op konden voeren dan verwacht. Dit bleek te komen doordat er Schwinger-paren ontstaan. Die kunnen vrij door het grafeen bewegen en dragen zo bij aan het geleiden van de stroom.

Kumar: ‘We dachten in eerste instantie dat we een nieuwe vorm van supergeleiding zagen. Maar het bleek het Schwinger-effect.’

Deze ontdekking is niet alleen een manier om een analogie van het Schwinger-effect op aarde te bestuderen. Het is ook belangrijk om de elektrische eigenschappen van grafeen – dat vaak voorgesteld wordt als wondermateriaal met tal van toepassingen – beter te begrijpen. Omdat ze met name grafeen-onderzoekers zijn, zal de onderzoeksgroep zich gaan richten op het verder in kaart brengen van de elektrische gedrag.