Efecto schwinger

El efecto Schwinger es un fenómeno físico previsto mediante el cual la materia se crea mediante un fuerte campo eléctrico. También se le conoce como efecto Sauter-Schwinger, mecanismo de Schwinger o producción de pares de Schwinger. Es una predicción de la electrodinámica cuántica (QED) en la que los pares electrón-positrón se crean espontáneamente en presencia de un campo eléctrico, provocando así la decadencia del campo eléctrico. El efecto fue propuesto originalmente por Fritz Sauter en 1931 y Werner Heisenberg y Hans Heinrich Euler llevaron a cabo otros trabajos importantes en 1936, aunque no fue hasta 1951 que Julian Schwinger dio una descripción teórica completa.

El efecto Schwinger puede considerarse como una caída del vacío en presencia de un campo eléctrico. Aunque la noción de desintegración del vacío sugiere que algo se crea a partir de la nada, no obstante se obedecen las leyes de conservación física. Para entender esto, tenga en cuenta que los electrones y los positrones son antipartículas entre sí, con propiedades idénticas excepto por la carga eléctrica opuesta.

Para conservar la energía, el campo eléctrico pierde energía cuando se crea un par electron-positron, por una cantidad igual a la de ${\displaystyle 2m_{e}c^{2}$, donde ${\displaystyle m_{\text{e}}$ es la masa de reposo electrones y ${\displaystyle c}$ es la velocidad de la luz. La carga eléctrica se conserva porque un par electron-positron es neutral de carga. El impulso lineal y angular se conserva porque, en cada par, el electrón y el positrón se crean con velocidades y giros opuestos. De hecho, se espera que el electrón y el positrón se creen en (cerca a) descanso, y luego se aceleró el uno del otro por el campo eléctrico.

Descripción matemática

La producción de pares Schwinger en un campo eléctrico constante tiene lugar a un ritmo constante por volumen de unidad, comúnmente conocido como ${\displaystyle "Gamma"$. La tasa fue calculada por primera vez por Schwinger y en el orden de dirección (un bucle) es igual a

${\displaystyle "Gamma" ^{3}\hbar ^{2}c}\sum _{n=1}{\infty {1}{n^{2}\fn} \left\{-{\frac {\pi - Sí.$

Donde ${\displaystyle m}$ es la masa de un electrón, ${\displaystyle e}$ es la carga primaria, y ${\displaystyle E}$ es la fuerza de campo eléctrico. Esta fórmula no se puede ampliar en una serie Taylor ${\displaystyle e^{2}$, mostrando la naturaleza no permanente de este efecto. En términos de diagramas Feynman, se puede derivar la tasa de producción de pares Schwinger resumiendo el conjunto infinito de diagramas que se muestra a continuación, conteniendo un bucle de electrones y cualquier número de patas fotones externas, cada una con energía cero.

Perspectivas experimentales

El efecto Schwinger original de la electrodinámica cuántica nunca se ha observado debido a las intensidades de campo eléctrico extremadamente fuertes requeridas. La producción de pares tiene lugar exponencialmente lentamente cuando la intensidad del campo eléctrico está muy por debajo del límite de Schwinger, correspondiente a aproximadamente 10 ¹⁸ V/m. Con las instalaciones láser actuales y previstas, se trata de una intensidad de campo eléctrico inviable, por lo que se han propuesto varios mecanismos para acelerar el proceso y así reducir la intensidad del campo eléctrico necesaria para su observación.

La tasa de producción de pares puede aumentar significativamente en campos eléctricos dependientes del tiempo y, como tal, se está buscando mediante experimentos con láser de alta intensidad, como la Extreme Light Infrastructure. Otra posibilidad es incluir un núcleo altamente cargado que a su vez produzca un fuerte campo eléctrico.

Por dualidad electromagnética, el mismo mecanismo en un campo magnético debería producir monopolos magnéticos, si existen. Una búsqueda realizada por el experimento MoEDAL utilizando el Gran Colisionador de Hadrones no logró detectar monopolos, y el análisis indicó un límite inferior en la masa del monopolo de 75 GeV/c² con un nivel de confianza del 95 %.

En enero de 2022, investigadores del Instituto Nacional de Grafeno dirigidos por Andre Geim y otros colaboradores informaron de la observación de un proceso analógico entre electrones y huecos en el punto de Dirac de una superred de grafeno sobre nitruro de boro hexagonal (G/ hBN) y otro de grafeno bicapa retorcido (TBG). También se utiliza una interpretación como túnel Zener-Klein (una mezcla entre túnel Zener y túnel Klein). En junio de 2023, investigadores de la Ecole Normale Supérieure de París y sus colaboradores informaron sobre la medición cuantitativa de la tasa de producción de pares Schwinger en transistores de grafeno dopados en una geometría 1D.