曼徹斯特大學的研究人員成功地觀察到了所謂的“施溫格效應”（Schwinger effect），這是一個難以捉摸的過程，通常只發生在宇宙事件中。通過通過專門設計的基於石墨烯的設備施加高電流，該團隊–位於國家石墨烯研究所–成功地從真空中產生了粒子-反粒子對。

真空被認為沒有任何物質或基本粒子。然而，諾貝爾獎得主朱利安·施溫格（Julian Schwinger）在70年前就預言，強烈的電場或磁場可以打破真空並自發地創造基本粒子。

這需要真正具有宇宙強度的場，如磁星周圍的場，或在帶電核的高能碰撞中橫向產生的場。粒子物理學的一個長期目標是通過實驗來探測這些理論預測，目前在世界各地的高能對撞機上計劃了一些實驗。

現在，研究小組–由另一位諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆爵士教授領導，與來自英國、西班牙、美國和日本的同事合作–已經使用石墨烯來模擬施溫格產生的電子和正電子對。

在2022年1月的《科學》雜誌上，他們報告了特別設計的裝置，如由石墨烯製成的狹窄收縮體和超晶格，這使得研究人員能夠在一個簡單的、桌面上的裝置中實現異常強大的電場。清楚地觀察到了電子和空穴對的自發產生（空穴是正電子的固態類似物），該過程的細節與理論預測非常一致。

科學家們還觀察到另一個不尋常的高能過程，到目前為止，在粒子物理學和天體物理學中還沒有類似的過程。他們在模擬的真空中註入電子，並將其加速到石墨烯真空所允許的最大速度，即光速的1/300。在這一點上，一些看似不可能的事情發生了：電子似乎變得超光，提供的電流高於量子凝聚態物理學的一般規則所允許的電流。這種效應的起源被解釋為自發地產生了額外的電荷載體（空穴）。研究小組提供的對這一過程的理論描述與施溫格對的描述相當不同。

“人們通常使用微小的電場來研究電子特性，這使得分析和理論描述更加容易。”論文的第一作者Alexey Berduygin博士說：“我們決定使用不同的實驗技巧盡可能地推動電場的強度，以免燒毀我們的設備。”

共同第一作者Na Xin博士補充說：“我們只是想知道在這種極端情況下會發生什麼。令我們驚訝的是，這是施溫格效應，而不是從我們的裝置中噴出的煙霧。”

另一位主要貢獻者Roshan Krishna Kumar博士說：“當我們第一次看到我們的超晶格裝置的壯觀特性時，我們想’哇……這可能是某種新的超導性’。儘管這種反應與在超導體中常規觀察到的反應非常相似，但我們很快發現，這種令人困惑的行為不是超導，而是天體物理學和粒子物理學領域的東西。在遙遠的學科之間看到這樣的相似之處是很奇怪的。”

這項研究對於未來基於二維量子材料的電子設備的發展也很重要，並為由石墨烯製成的佈線建立了限制，而石墨烯已經因其維持超高電流的卓越能力而聞名。