Superinsolatorer til at blive forskere kvarker legepladser

Forskere accepterer i vid udstrækning eksistensen af ​​kvarker, de grundlæggende partikler, der udgør protoner og neutroner. Men oplysninger om dem er stadig undvigende, da deres interaktion er så stærk, at deres direkte påvisning er umulig, og at udforske deres egenskaber indirekte ofte kræver ekstremt dyre partikelkollidører og samarbejde mellem tusinder af forskere. Så, kvarker forbliver konceptuelt fremmede og mærkelige som Cheshire-katten i "Alice's Adventures in Wonderland, " hvis grin kan spores – men ikke dens krop.

En international gruppe forskere, der inkluderer materialeforsker Valerii Vinokur fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har udviklet en ny metode til at udforske disse grundlæggende partikler, der udnytter en analogi mellem kvarkers adfærd i højenergifysik og den elektroner i kondenseret fysik. Denne opdagelse vil hjælpe forskere med at formulere og gennemføre eksperimenter, der kan levere afgørende beviser for kvarkindeslutning, asymptotisk frihed, og andre fænomener, såsom om superisolatorer kan eksistere i både to og tre dimensioner.

Vinokur, arbejder med Maria Cristina Diamantini fra University of Perugia i Italien og Carlo Trugenberger fra SwissScientific Technologies i Schweiz, udtænkt en teori omkring en ny stoftilstand kaldet en superisolator, hvor elektroner udviser nogle af de samme egenskaber som kvarker.

Elektronerne, de bestemte, dele to vigtige egenskaber, der styrer kvarkinteraktioner:indespærring og asymptotisk frihed. Indeslutning er den mekanisme, der binder kvarker sammen til sammensatte partikler. I modsætning til elektrisk ladede partikler, kvarker kan ikke adskilles fra hinanden. Når afstanden mellem dem øges, deres træk bliver kun stærkere.

"Dette er ikke vores daglige oplevelse, "sagde Vinokur." Når du trækker magneter fra hinanden, det bliver lettere, når de er adskilt, men det modsatte er tilfældet for kvarker. De modstår hårdt. "

Quark-interaktioner er også karakteriseret ved asymptotisk frihed, hvor kvarker i tæt afstand stopper med at interagere helt. Når de først rejser en vis afstand fra hinanden, en atomkraft styrter dem tilbage.

I slutningen af ​​1970'erne, Nobelpristageren Gerard 't Hooft forklarede først disse to nyligt teoretiserede egenskaber ved hjælp af en analogi. Han forestillede sig en tilstand af materie, der er det modsatte af en superleder, idet den uendeligt modstår ladningsstrømmen i stedet for at lede den uendeligt. I en "superisolator, "som 't Hooft kaldte denne tilstand, elektronpar med forskellige spins - Cooper -par - ville binde sammen på en måde, der er matematisk identisk med kvarkindeslutning inde i elementarpartikler.

"Det forvrængede elektriske felt i en superisolator skaber en streng, der binder parene til Cooper -par, og jo mere du strækker dem, jo mere parret modstår adskillelse, " sagde Vinokur. "Dette er mekanismen, der binder kvarker sammen til protoner og neutroner."

I 1996 uvidende om 't Hoofts analogi, Diamantini og Trugenberger - sammen med kollegaen Pascuale Sodano - forudsagde eksistensen af ​​superisolatorer. Imidlertid, superisolatorer forblev teoretiske indtil 2008, da et internationalt samarbejde ledet af Argonne -efterforskere genopdagede dem i film af titannitrid.

Ved at bruge deres eksperimentelle resultater, de konstruerede en teori, der beskriver superisolatoradfærd, som til sidst førte til deres nylige opdagelse, som etablerede et Cooper-par analogt med både indespærring og kvarkers asymptotiske frihed, som 't Hooft forestillede sig, bemærkede Vinokur.

Teorien om superisolatorer uddyber en mental model, som højenergifysikere kan bruge til at tænke på kvarker, og det tilbyder et kraftfuldt laboratorium til at udforske indespærringsfysik ved hjælp af let tilgængelige materialer.

"Vores arbejde tyder på, at systemer, der er mindre end den typiske længde af strengene, der binder Cooper-parrene, opfører sig på en interessant måde, "sagde Vinokur." De bevæger sig næsten frit i denne skala, fordi der ikke er plads nok til at styrkestyrker kan udvikle sig. Denne bevægelse er analog med kvarkers frie bevægelighed i en lille nok skala. "

Vinokur og medforskere Diamantini, Trugenberger, og Luca Gammaitoni ved University of Perugia søger måder til endegyldigt at skelne mellem 2-D og 3-D superinsulatorer. Indtil nu, de har fundet en - og den har bred betydning, udfordrende konventionelle forestillinger om, hvordan glas dannes.

For at opdage, hvordan man syntetiserer en 2-D eller 3-D superinsulator, forskere har brug for "en fuld forståelse af, hvad der gør ét materiale tredimensionelt og et andet todimensionalt, "Sagde Vinokur.

Deres nye arbejde viser, at 3-D superisolatorer udviser en kritisk adfærd kendt som Vogel-Fulcher-Tammann (VFT), når de skifter til en superisolerende tilstand. Superisolatorer i 2-D, imidlertid, vise en anden adfærd:Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-overgangen.

Opdagelsen af, at VFT er mekanismen bag 3-D-superisolatorer afslørede noget overraskende:VFT-overgange, første gang beskrevet for næsten et århundrede siden, er ansvarlige for dannelsen af ​​glas fra en væske. Glas er ikke krystallinsk, som is - den stammer fra en amorf, tilfældigt arrangement af atomer, der hurtigt fryser til et fast stof.

Årsagen til VFT har været et mysterium siden dens opdagelse, men forskere troede længe, ​​at det begyndte med en slags ekstern lidelse. 3D-superisolatorerne beskrevet i Vinokurs papir udfordrer denne konventionelle forestilling og, i stedet, tyder på, at lidelse kan udvikle sig fra en intern defekt i systemet. Tanken om, at briller kan være topologiske - de kan ændre deres iboende egenskaber, mens de forbliver materielt de samme - er en ny opdagelse.

"Dette grundlæggende gennembrud udgør et væsentligt skridt i forståelsen af ​​oprindelsen af ​​irreversibilitet i naturen, "Sagde Vinokur. Det næste trin vil være at observere denne teoretiske adfærd i 3-D-superinsulatorer.

Undersøgelsen samlede forskere fra markant forskellige discipliner. Vinokur er en kondenseret fysiker, mens Gammaitoni fokuserer på kvantetermodynamik. Diamantini og Trugenberger er i kvantefeltteori.

"Det var mest bemærkelsesværdigt, at vi kom fra meget forskellige fysiske områder, "Vinokur sagde." Kombinationen af ​​vores komplementære viden satte os i stand til at opnå disse gennembrud. "

Resultater fra Cooper -parundersøgelsen fremgår af papiret "Indespærring og asymptotisk frihed med Cooper -par, "offentliggjort den 7. november, 2018 i Kommunikationsfysik . Arbejdet med 3-D-superisolatormekanismer er skitseret i papiret "Vogel-Fulcher-Tamman kritik af 3D-superinsulatorer, "udgivet i Videnskabelige rapporter den 24. oktober, 2018.