Los científicos aceptan ampliamente la existencia de quarks, las partículas fundamentales que componen los protones y neutrones. Pero la información sobre ellos aún es difícil de alcanzar, dado que su interacción es tan fuerte que su detección directa es imposible y explorar sus propiedades indirectamente a menudo requiere colisionadores de partículas extremadamente costosos y colaboraciones entre miles de investigadores. Entonces, Los quarks siguen siendo conceptualmente extraños y extraños como el gato de Cheshire en "Alicia en el país de las maravillas", " cuya sonrisa es detectable, pero no su cuerpo.

Un grupo internacional de científicos que incluye a la científica de materiales Valerii Vinokur del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha desarrollado un nuevo método para explorar estas partículas fundamentales que explota una analogía entre el comportamiento de los quarks en la física de altas energías y el de electrones en la física de la materia condensada. Este descubrimiento ayudará a los científicos a formular y realizar experimentos que podrían proporcionar evidencia concluyente del confinamiento de los quarks. libertad asintótica, y otros fenómenos, por ejemplo, si los superinsuladores pueden existir tanto en dos como en tres dimensiones.

Vinokur, trabajando con Maria Cristina Diamantini de la Universidad de Perugia en Italia y Carlo Trugenberger de SwissScientific Technologies en Suiza, ideó una teoría en torno a un nuevo estado de la materia llamado superaislador, en el que los electrones muestran algunas de las mismas propiedades que los quarks.

Los electrones ellos determinaron, comparten dos propiedades importantes que gobiernan las interacciones de los quarks:el confinamiento y la libertad asintótica. El confinamiento es el mecanismo que une a los quarks en partículas compuestas. A diferencia de las partículas cargadas eléctricamente, los quarks no se pueden separar unos de otros. A medida que aumenta la distancia entre ellos, su atracción solo se vuelve más fuerte.

"Esta no es nuestra experiencia diaria, "dijo Vinokur." Cuando separas los imanes, se vuelve más fácil a medida que están separados, pero ocurre lo contrario con los quarks. Resisten ferozmente ".

Las interacciones de los quarks también se caracterizan por la libertad asintótica, donde los quarks a corta distancia dejan de interactuar por completo. Una vez que viajan a cierta distancia el uno del otro, una fuerza nuclear los empuja hacia adentro.

A finales de la década de 1970, El premio Nobel Gerard 't Hooft explicó por primera vez estas dos propiedades recién teorizadas utilizando una analogía. Imaginó un estado de la materia que es el opuesto de un superconductor en el sentido de que resiste infinitamente el flujo de carga en lugar de conducirlo infinitamente. En un "superaislador, "como 't Hooft llamó a este estado, pares de electrones con espines diferentes (pares de Cooper) se unirían de una manera matemáticamente idéntica al confinamiento de los quarks dentro de partículas elementales.

"El campo eléctrico distorsionado en un superaislador crea una cuerda que une las parejas de pares de Cooper, y cuanto más los estiras, cuanto más se resiste la pareja a la separación, ", dijo Vinokur." Este es el mecanismo que une a los quarks en protones y neutrones ".

En 1996, sin darse cuenta de la analogía de 't Hooft, Diamantini y Trugenberger, junto con su colega Pascuale Sodano, predijeron la existencia de superinsulares. Sin embargo, los superinsuladores se mantuvieron teóricos hasta 2008, cuando una colaboración internacional liderada por investigadores de Argonne los redescubrió en películas de nitruro de titanio.

Usando sus resultados experimentales, construyeron una teoría que describe el comportamiento del superaislador que eventualmente condujo a su reciente descubrimiento, que estableció un par de Cooper análogo tanto al confinamiento como a la libertad asintótica de los quarks, la forma en que 't Hooft imaginó, señaló Vinokur.

La teoría de los superinsuladores da cuerpo a un modelo mental que los físicos de alta energía pueden utilizar para pensar sobre los quarks, y ofrece un potente laboratorio para explorar la física del confinamiento utilizando materiales de fácil acceso.

"Nuestro trabajo sugiere que los sistemas más pequeños que la longitud típica de las cuerdas que unen los pares de Cooper se comportan de una manera interesante, ", dijo Vinokur." Se mueven casi libremente a esta escala porque no hay suficiente espacio para que se desarrollen fuerzas de gran fuerza. Este movimiento es análogo al movimiento libre de los quarks a una escala suficientemente pequeña ".

Vinokur y los co-investigadores Diamantini, Trugenberger, y Luca Gammaitoni de la Universidad de Perugia están buscando formas de diferenciar de manera concluyente entre los superinsulares 2-D y 3-D. Hasta aquí, han encontrado uno, y tiene un significado amplio, desafiando las nociones convencionales sobre cómo se forma el vidrio.

Para descubrir cómo sintetizar un superaislador 2-D o 3-D, los investigadores necesitan "una comprensión completa de lo que hace que un material sea tridimensional y otro bidimensional, "Dijo Vinokur.

Su nuevo trabajo muestra que los superinsuladores 3-D muestran un comportamiento crítico conocido como Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) cuando pasan a un estado superaislante. Superinsuladores en 2-D, sin embargo, muestran un comportamiento diferente:la transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.

El descubrimiento de que VFT es el mecanismo detrás de los superinsuladores 3-D reveló algo sorprendente:las transiciones VFT, descrito por primera vez hace casi un siglo, son responsables de la formación de vidrio a partir de un líquido. El vidrio no es cristalino como el hielo, emerge de un amorfo, Disposición aleatoria de átomos que se congelan rápidamente en un sólido.

La causa de VFT sigue siendo un misterio desde su descubrimiento, pero los científicos creyeron durante mucho tiempo que comenzó con algún tipo de trastorno externo. Los superinsuladores 3-D descritos en el artículo de Vinokur desafían esta noción convencional y, en lugar de, sugieren que el desorden puede evolucionar a partir de un defecto interno en el sistema. La idea de que los vidrios pueden ser topológicos (pueden alterar sus propiedades intrínsecas sin cambiar materialmente) es un nuevo descubrimiento.

"Este avance fundamental constituye un paso significativo en la comprensión del origen de la irreversibilidad en la naturaleza, Vinokur dijo. El siguiente paso será observar este comportamiento teórico en superinsuladores 3-D.

El estudio reunió a investigadores de disciplinas marcadamente diferentes. Vinokur es un físico de materia condensada, mientras que Gammaitoni se centra en la termodinámica cuántica. Diamantini y Trugenberger están en teoría cuántica de campos.

"Fue muy notable que venimos de campos de la física muy dispares, Vinokur dijo:"La combinación de nuestro conocimiento complementario nos permitió lograr estos avances".

Los resultados del estudio de pares de Cooper aparecen en el artículo "Confinamiento y libertad asintótica con pares de Cooper, "publicado el 7 de noviembre, 2018 en Física de las comunicaciones . El trabajo sobre los mecanismos superaisladores 3-D se describe en el documento "La criticidad de Vogel-Fulcher-Tamman de los superinsuladores 3-D, " publicado en Informes científicos el 24 de octubre 2018.