在桌面模拟宇宙物理学，石墨烯使施温格效应得以实现
石墨烯超晶格中的线性和非线性输运
曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究人员成功地观察到了所谓的施温格效应(Schwinger effect)，这是一种通常只在宇宙事件中发生的难以捉摸的过程。美国国家石墨烯研究所的研究小组通过在特殊设计的石墨烯设备上施加高电流，成功地在真空中产生了粒子-反粒子对。
真空被假定为完全空无一物的空间，没有任何物质或基本粒子。然而，诺贝尔奖得主朱利安·施温格(Julian Schwinger)在70年前预测，强烈的电场或磁场可以打破真空，自发地产生基本粒子。
这需要真正的宇宙强度场，比如磁星周围的场，或者带电原子核的高能碰撞过程中产生的瞬态场。通过实验来探测这些理论预测是粒子物理学长期以来的目标，目前世界各地的高能对撞机都计划对其中一些进行探测。
现在，由另一位诺贝尔奖得主安德烈·海姆教授领导的研究团队，与来自英国、西班牙、美国和日本的同事合作，使用石墨烯模拟施温格产生的电子和正电子对。
在2022年1月的《科学》杂志上，他们报道了一些特殊设计的设备，如由石墨烯制成的窄窄结构和超晶格，这些设备允许研究人员在一个简单的桌面设置中实现异常强大的电场。电子和空穴对的自发产生被清楚地观察到(空穴是正电子的固态模拟物)，过程的细节与理论预测吻合得很好。
科学家们还观察到另一个不寻常的高能过程，到目前为止，在粒子物理学和天体物理学中还没有类似的现象。他们在模拟的真空中填充电子，并将其加速到石墨烯真空所允许的最大速度，即光速的1/300。在这一点上，似乎不可能的事情发生了:电子似乎变得超亮，提供了高于量子凝聚态物理学一般规则所允许的电流。这种效应的起因被解释为附加载流子(空穴)的自发产生。研究小组对这一过程的理论描述与Schwinger对空空间的描述有很大的不同。
“人们通常使用微小的电场来研究电子特性，这样更容易进行分析和理论描述。我们决定使用不同的实验手段，尽可能地提高电场强度，而不是烧毁我们的设备。”论文的第一作者阿列克谢·伯杜伊金博士说。
联合首席作者纳欣博士补充说:“我们只是想知道在这种极端情况下会发生什么。让我们惊讶的是，这是Schwinger效应，而不是烟雾。”
另一位主要贡献者Roshan Krishna Kumar博士说:“当我们第一次看到超晶格器件的惊人特性时，我们想，哇，这可能是某种新的超导性。虽然这种反应与通常在超导体中观察到的反应非常相似，但我们很快就发现，令人困惑的行为不是超导，而是天体物理学和粒子物理学领域的某些东西。奇怪的是，在遥远的学科之间看到这样的相似之处。”
这项研究对基于二维量子材料的未来电子设备的发展也很重要，并对石墨烯制成的电线设定了限制，而石墨烯已经因其卓越的维持超高电流的能力而闻名。
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