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, ya que su interacción es tan fuerte que su detección directa es imposible y explorar sus propiedades indirectamente a menudo requiere partículas extremadamente caras.colisionadores y colaboraciones entre miles de investigadores. Por lo tanto, los quarks siguen siendo conceptualmente extraños y extraños como el gato de Cheshire en "Las aventuras de Alicia en el país de las maravillas", cuya sonrisa es detectable, pero no su cuerpo.
Un grupo internacional de científicos que incluye al científico 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 yel de los electrones en la física de la materia condensada. Este descubrimiento ayudará a los científicos a formular y realizar experimentos que podrían proporcionar pruebas concluyentes del confinamiento de los quarks, la libertad asintótica y otros fenómenos, como si los superinsuladores pueden existir en dos y tres dimensiones.
Vinokur, en colaboración 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, 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 entre sí.ellos aumentan, 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 se separan, 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 se alejan una cierta distancia entre sí, una fuerza nuclear los empuja hacia adentro
A fines de la década de 1970, el premio Nobel Gerard 't Hooft explicó por primera vez estas dos propiedades teorizadas recientemente 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 conducir infinitamenteEn 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, más se resiste la pareja a la separación", dijo Vinokur. "Este es el mecanismo que une a los quarks enprotones y neutrones ".
En 1996, sin conocer la analogía de 't Hooft, Diamantini y Trugenberger, junto con su colega Pascuale Sodano, predijeron la existencia de superinsulares. Sin embargo, los superinsulares permanecieron teóricos hasta 2008, cuando una colaboración internacional liderada por investigadores de Argonne los redescubrió en películasde nitruro de titanio.
Usando sus resultados experimentales, construyeron una teoría que describe el comportamiento del superaislador que eventualmente condujo a su descubrimiento reciente, que estableció un par de Cooper análogo tanto al confinamiento como a la libertad asintótica de los quarks, de 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 usar para pensar en los quarks, y ofrece un laboratorio poderoso 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 fuerzas de alta resistenciapara desarrollarse. Este movimiento es análogo al movimiento libre de los quarks en 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 2D y 3D. Hasta ahora, han encontrado uno, y tiene un significado amplio, desafiando las nociones convencionales sobrecómo se forma el vidrio.
Para descubrir cómo sintetizar un superaislador 2D o 3D, 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 3D muestran un comportamiento crítico conocido como Vogel-Fulcher-Tammann VFT cuando hacen la transición a un estado superaislante. Sin embargo, los superinsuladores en 2D muestran un comportamiento diferente: la transición Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.
El descubrimiento de que VFT es el mecanismo detrás de los superinsuladores 3D reveló algo sorprendente: las transiciones de VFT, descritas por primera vez hace casi un siglo, son responsables de la formación del vidrio a partir de un líquido. El vidrio no es cristalino, como el hielo; emerge de undisposición amorfa y aleatoria de átomos que rápidamente se congelan en un sólido.
La causa de VFT ha sido un misterio desde su descubrimiento, pero los científicos creyeron durante mucho tiempo que comenzó con algún tipo de desorden externo. Los superinsuladores 3D descritos en el artículo de Vinokur desafían esta noción convencional y, en cambio, 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 mientras permanecen materialmente iguales - es un nuevo descubrimiento.
"Este avance fundamental constituye un paso significativo en la comprensión del origen de la irreversibilidad en la naturaleza", dijo Vinokur. El siguiente paso será observar este comportamiento teórico en superinsuladores 3D.
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 la teoría cuántica de campos.
"Fue muy notable que venimos de campos de la física muy dispares", dijo Vinokur. "La combinación de nuestro conocimiento complementario nos permitió lograr estos avances".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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