Os cientistas aceitam amplamente a existência de quarks, as partículas fundamentais que constituem os prótons e nêutrons. Mas as informações sobre eles ainda são evasivas, uma vez que sua interação é tão forte que sua detecção direta é impossível e explorar suas propriedades indiretamente freqüentemente requer coletores de partículas extremamente caros e colaborações entre milhares de pesquisadores. Então, quarks permanecem conceitualmente estranhos e estranhos como o gato de Cheshire em "Alice's Adventures in Wonderland, " cujo sorriso é detectável - mas não seu corpo.

Um grupo internacional de cientistas que inclui o cientista de materiais Valerii Vinokur do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveu um novo método para explorar essas partículas fundamentais que explora uma analogia entre o comportamento dos quarks na física de alta energia e o de elétrons na física da matéria condensada. Esta descoberta ajudará os cientistas a formular e conduzir experimentos que podem fornecer evidências conclusivas para o confinamento de quark, liberdade assintótica, e outros fenômenos, como se superinsuladores podem existir em duas e três dimensões.

Vinokur, trabalhando com Maria Cristina Diamantini da Universidade de Perugia na Itália e Carlo Trugenberger da SwissScientific Technologies na Suíça, desenvolveu uma teoria em torno de um novo estado da matéria chamado superinsulador, em que os elétrons exibem algumas das mesmas propriedades dos quarks.

Os elétrons, eles determinaram, compartilham duas propriedades importantes que governam as interações de quark:confinamento e liberdade assintótica. O confinamento é o mecanismo que une os quarks em partículas compostas. Ao contrário das partículas eletricamente carregadas, quarks não podem ser separados uns dos outros. À medida que a distância entre eles aumenta, sua atração só se torna mais forte.

"Esta não é a nossa experiência diária, "disse Vinokur." Quando você separa os ímãs, fica mais fácil quando eles estão separados, mas o oposto é verdadeiro para quarks. Eles resistem ferozmente. "

As interações de quark também são caracterizadas por liberdade assintótica, onde quarks a curta distância param de interagir completamente. Uma vez que eles viajam uma certa distância um do outro, uma força nuclear os puxa de volta.

No final dos anos 1970, O Prêmio Nobel Gerard 't Hooft explicou pela primeira vez essas duas propriedades recentemente teorizadas usando uma analogia. Ele imaginou um estado da matéria que é o oposto de um supercondutor no sentido de que resiste infinitamente ao fluxo de carga, em vez de conduzi-lo infinitamente. Em um "superinsulator, "como 't Hooft chamou esse estado, pares de elétrons com spins diferentes - pares de Cooper - se ligariam de maneira matematicamente idêntica ao confinamento de quark dentro das partículas elementares.

"O campo elétrico distorcido em um superinsulador cria uma corda que liga os pares de pares de Cooper, e quanto mais você os estica, quanto mais o casal resiste à separação, "disse Vinokur." Este é o mecanismo que une os quarks em prótons e nêutrons. "

Em 1996, sem saber da analogia de 't Hooft, Diamantini e Trugenberger - junto com o colega Pascuale Sodano - previram a existência de superinsuladores. Contudo, superinsuladores permaneceram teóricos até 2008, quando uma colaboração internacional liderada por investigadores de Argonne os redescobriu em filmes de nitreto de titânio.

Usando seus resultados experimentais, eles construíram uma teoria que descreve o comportamento do superinsulador que acabou levando à sua recente descoberta, que estabeleceu um par de Cooper análogo ao confinamento e à liberdade assintótica de quarks, do jeito que 't Hooft imaginou, observou Vinokur.

A teoria dos superinsuladores dá corpo a um modelo mental que os físicos de alta energia podem usar para pensar sobre quarks, e oferece um poderoso laboratório para explorar a física de confinamento usando materiais facilmente acessíveis.

"Nosso trabalho sugere que sistemas menores do que o comprimento típico das cordas que ligam os pares de Cooper se comportam de maneira interessante, "disse Vinokur." Eles se movem quase livremente nesta escala porque não há espaço suficiente para o desenvolvimento de forças de alta potência. Este movimento é análogo ao movimento livre dos quarks em uma escala pequena o suficiente. "

Vinokur e os co-pesquisadores Diamantini, Trugenberger, e Luca Gammaitoni, da Universidade de Perugia, estão buscando maneiras de diferenciar de forma conclusiva entre os superinsuladores 2-D e 3-D. Até aqui, eles encontraram um - e tem amplo significado, desafiando noções convencionais sobre como o vidro se forma.

Para descobrir como sintetizar um superinsulador 2-D ou 3-D, pesquisadores precisam de "uma compreensão completa do que torna um material tridimensional e outro bidimensional, "Vinokur disse.

Seu novo trabalho mostra que os superinsuladores 3-D exibem um comportamento crítico conhecido como Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) ao fazer a transição para um estado de superinsulamento. Superinsuladores em 2-D, Contudo, exibir um comportamento diferente:a transição Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.

A descoberta de que VFT é o mecanismo por trás dos superinsuladores 3-D revelou algo surpreendente:transições VFT, descrito pela primeira vez há quase um século, são responsáveis ​​pela formação de vidro a partir de um líquido. O vidro não é cristalino, como o gelo, emerge de uma forma amorfa, arranjo aleatório de átomos que rapidamente congelam em um sólido.

A causa do VFT permanece um mistério desde sua descoberta, mas os cientistas há muito acreditaram que começou com algum tipo de distúrbio externo. Os superinsuladores 3-D descritos no artigo de Vinokur desafiam essa noção convencional e, em vez de, sugerem que a desordem pode evoluir de um defeito interno no sistema. A ideia de que os vidros podem ser topológicos - eles podem alterar suas propriedades intrínsecas enquanto permanecem materialmente os mesmos - é uma nova descoberta.

"Este avanço fundamental constitui um passo significativo na compreensão da origem da irreversibilidade na natureza, "Vinokur disse. O próximo passo será observar esse comportamento teórico em superinsuladores 3-D.

O estudo reuniu pesquisadores de disciplinas marcadamente diferentes. Vinokur é um físico da matéria condensada, enquanto Gammaitoni se concentra na termodinâmica quântica. Diamantini e Trugenberger estão na teoria quântica de campos.

"Foi notável que viéssemos de campos muito díspares da física, "Vinokur disse." Combinar nosso conhecimento complementar nos permitiu alcançar essas descobertas. "

Os resultados do estudo de pares de Cooper aparecem no artigo "Confinamento e liberdade assintótica com pares de Cooper, "publicado em 7 de novembro, 2018 em Física das Comunicações . O trabalho em mecanismos de superinsuladores 3-D é descrito no artigo "Vogel-Fulcher-Tamman criticidade de superinsuladores 3-D, " publicado em Relatórios Científicos em 24 de outubro, 2018.