Wetenschappers aanvaarden algemeen het bestaan ​​van quarks, de fundamentele deeltjes waaruit protonen en neutronen bestaan. Maar informatie over hen is nog steeds ongrijpbaar, omdat hun interactie zo sterk is dat hun directe detectie onmogelijk is en het indirect onderzoeken van hun eigenschappen vaak extreem dure deeltjesversnellers en samenwerkingen tussen duizenden onderzoekers vereist. Dus, quarks blijven conceptueel vreemd en vreemd, zoals de Cheshire-kat in "Alice's Adventures in Wonderland, " wiens grijns detecteerbaar is, maar niet zijn lichaam.

Een internationale groep wetenschappers, waaronder materiaalwetenschapper Valerii Vinokur van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft een nieuwe methode ontwikkeld om deze fundamentele deeltjes te onderzoeken, waarbij gebruik wordt gemaakt van een analogie tussen het gedrag van quarks in de hoge-energiefysica en dat van elektronen in de fysica van de gecondenseerde materie. Deze ontdekking zal wetenschappers helpen bij het formuleren en uitvoeren van experimenten die sluitend bewijs kunnen leveren voor quark-opsluiting, asymptotische vrijheid, en andere verschijnselen, zoals of superisolatoren in zowel twee als drie dimensies kunnen bestaan.

Vinokur, werken met Maria Cristina Diamantini van de Universiteit van Perugia in Italië en Carlo Trugenberger van SwissScientific Technologies in Zwitserland, bedacht een theorie rond een nieuwe staat van materie genaamd een superisolator, waarin elektronen enkele van dezelfde eigenschappen vertonen als quarks.

de elektronen, zij bepaalden, delen twee belangrijke eigenschappen die quark-interacties bepalen:opsluiting en asymptotische vrijheid. Opsluiting is het mechanisme dat quarks samenbindt tot composietdeeltjes. In tegenstelling tot elektrisch geladen deeltjes, quarks kunnen niet van elkaar worden gescheiden. Naarmate de afstand tussen hen groter wordt, hun aantrekkingskracht wordt alleen maar sterker.

"Dit is niet onze dagelijkse ervaring, " zei Vinokur. "Als je magneten uit elkaar trekt, het wordt gemakkelijker als ze gescheiden zijn, maar het tegenovergestelde geldt voor quarks. Ze verzetten zich hevig."

Quark-interacties worden ook gekenmerkt door asymptotische vrijheid, waar quarks op korte afstand helemaal geen interactie meer hebben. Zodra ze een bepaalde afstand van elkaar hebben afgelegd, een nucleaire kracht trekt ze weer naar binnen.

Eind jaren zeventig, Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft legde deze twee nieuw getheoretiseerde eigenschappen eerst uit aan de hand van een analogie. Hij stelde zich een toestand van materie voor die het tegenovergestelde is van een supergeleider, in die zin dat deze de stroom van lading oneindig weerstaat in plaats van deze oneindig te geleiden. In een "superisolator, zoals 't Hooft deze staat noemde, elektronenparen met verschillende spins - Cooper-paren - zouden aan elkaar binden op een manier die wiskundig identiek is aan quark-opsluiting in elementaire deeltjes.

"Het vervormde elektrische veld in een superisolator creëert een touwtje dat de koppels Cooper-paren verbindt, en hoe meer je ze uitrekt, hoe meer het paar weerstand biedt aan scheiding, " zei Vinokur. "Dit is het mechanisme dat quarks samenbindt tot protonen en neutronen."

1996, onwetend van de analogie van 't Hooft, Diamantini en Trugenberger - samen met collega Pascuale Sodano - voorspelden het bestaan ​​van superisolatoren. Echter, superisolatoren bleven theoretisch tot 2008 toen een internationale samenwerking onder leiding van Argonne-onderzoekers ze herontdekte in films van titaniumnitride.

Met behulp van hun experimentele resultaten, ze construeerden een theorie die superisolatorgedrag beschrijft die uiteindelijk leidde tot hun recente ontdekking, waarmee een Cooper-paar werd vastgesteld dat analoog is aan zowel opsluiting als de asymptotische vrijheid van quarks, zoals 't Hooft zich voorstelde, merkte Vinokur op.

De theorie van superisolatoren geeft invulling aan een mentaal model dat energierijke fysici kunnen gebruiken om over quarks na te denken, en het biedt een krachtig laboratorium voor het onderzoeken van opsluitingsfysica met behulp van gemakkelijk toegankelijke materialen.

"Ons werk suggereert dat systemen die kleiner zijn dan de typische lengte van de snaren die de Cooper-paren binden zich op een interessante manier gedragen, " zei Vinokur. "Ze bewegen bijna vrij op deze schaal omdat er niet genoeg ruimte is voor de ontwikkeling van sterke krachten. Deze beweging is analoog aan de vrije beweging van quarks op een voldoende kleine schaal."

Vinokur en co-onderzoekers Diamantini, Trugenberger, en Luca Gammaitoni van de Universiteit van Perugia zoeken naar manieren om overtuigend onderscheid te maken tussen 2D- en 3D-superisolatoren. Tot dusver, ze hebben er een gevonden - en het heeft een brede betekenis, conventionele opvattingen over hoe glas wordt gevormd, uitdaagt.

Om te ontdekken hoe u een 2D- of 3D-superisolator kunt synthetiseren, onderzoekers hebben "een volledig begrip nodig van wat de ene stof driedimensionaal maakt en de andere tweedimensionaal, ' zei Vinokur.

Hun nieuwe werk laat zien dat 3D-superisolatoren een kritisch gedrag vertonen dat bekend staat als Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) bij de overgang naar een superisolerende toestand. Superisolatoren in 2D, echter, ander gedrag vertonen:de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-overgang.

De ontdekking dat VFT het mechanisme is achter 3D-superisolatoren, onthulde iets verrassends:VFT-overgangen, bijna een eeuw geleden voor het eerst beschreven, zijn verantwoordelijk voor de vorming van glas uit een vloeistof. Glas is niet kristallijn, als ijs - het komt voort uit een amorf, willekeurige rangschikking van atomen die snel bevriezen tot een vaste stof.

De oorzaak van VFT is sinds de ontdekking ervan een mysterie gebleven, maar wetenschappers geloofden lang dat het begon met een of andere externe stoornis. De 3D-superisolatoren die in Vinokur's paper worden beschreven, dagen dit conventionele idee uit en, in plaats daarvan, suggereren dat wanorde kan ontstaan ​​door een intern defect in het systeem. Het idee dat glazen topologisch kunnen zijn - ze kunnen hun intrinsieke eigenschappen veranderen terwijl ze materieel hetzelfde blijven - is een nieuwe ontdekking.

"Deze fundamentele doorbraak vormt een belangrijke stap in het begrijpen van de oorsprong van onomkeerbaarheid in de natuur, " zei Vinokur. De volgende stap zal zijn om dit theoretische gedrag in 3D-superisolatoren te observeren.

De studie bracht onderzoekers uit duidelijk verschillende disciplines samen. Vinokur is een fysicus van de gecondenseerde materie, terwijl Gammaitoni zich richt op kwantumthermodynamica. Diamantini en Trugenberger zitten in de kwantumveldentheorie.

"Het was zeer opmerkelijk dat we uit zeer uiteenlopende gebieden van de natuurkunde kwamen, "Zei Vinokur. "Door onze complementaire kennis te combineren, hebben we deze doorbraken kunnen realiseren."

Resultaten van de Cooper-parenstudie verschijnen in het artikel "Confinement and asymptotic freedom with Cooper pairs, " gepubliceerd op 7 november, 2018 in Communicatie Fysica . Werk aan 3D-superisolatormechanismen wordt beschreven in de paper "Vogel-Fulcher-Tamman-kritiek van 3-D-superisolatoren, " gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 24 oktober, 2018.