超级半岛人成为科学家的夸克游乐场

科学家普遍接受夸克的存在，夸克是构成质子和中子的基本粒子。但是关于它们的信息仍然是难以捉摸的，因为它们的相互作用是如此强烈以至于它们的直接探测是不可能的，间接地探索它们的属性通常需要极其昂贵的粒子碰撞和数千名研究人员之间的合作。因此，夸克概念仍然国外怪像柴郡猫“爱丽丝梦游仙境”， 他们的笑容是检测-但不是它的身体。

包括来自能源部(DOE)阿贡实验室的材料科学家Valerii Vinokur的国际科学家小组开发了一种探索这些基本粒子的新方法，该方法利用了高能物理中夸克行为与高能物理中夸克行为之间的类比。凝聚态物理中的电子。这一发现将有助于科学家们制定和开展实验，为夸克限制，渐近自由和其他现象提供确凿的证据，例如超级半岛能否同时存在于二维和三维。

Vinokur与来自佩鲁贾大学的Maria Cristina Diamantini和来自瑞士SwissScientific Technologies的Carlo Trugenberger合作，设计了一种围绕称为超绝缘体的新物质状态的理论，其中电子显示出与夸克相同的一些性质。

他们确定的电子共享两个控制夸克相互作用的重要性质：约束和渐近自由。限制是将夸克结合在一起形成复合粒子的机制。与带电粒子不同，夸克不能彼此分离。随着它们之间的距离增加，它们的拉力变得更强。

“这不是我们的日常经历，”Vinokur说。“当你把磁铁分离，就随着他们分开更容易，但相反的是夸克的真实。他们狠狠抵抗。“

夸克相互作用的特征还在于渐近自由，其中近距离的夸克完全相互作用。一旦他们彼此远离一定距离，核力量将他们拉回来。

在后期1970和 S，诺贝尔奖得主杰拉德'特霍夫特首先说明使用类似于这两个新理论性能。他想象一种与超导体相反的物质状态，因为它无限地抵抗电荷流而不是无限地传导它。在一个“ superinsulator”，如“特霍夫特称为该状态下，对具有不同的自旋的电子的-库珀对-将共同的方式，在数学上等同于基本颗粒内部夸克禁闭结合。

“超级绝缘体中的扭曲电场会产生一条与Cooper对结合在一起的弦，弹力越大，这对夫妇越能抵抗分离，”Vinokur说。“这是一起结合成夸克质子和中子的机制”。

在1996年，不知道'特霍夫特的比喻，Diamantini和Trugenberger -与同事Pascuale索达诺沿-预测superinsulators的存在。然而，直到2008年，由Argonne调查人员领导的国际合作在氮化钛薄膜中重新发现它们，超级半岛主义者仍然是理论上的。

利用他们的实验结果，他们构建的理论描述superinsulator行为，最终导致了他们的最新发现，它建立了库珀对模拟两禁闭和夸克渐进自由的方式“特霍夫特想象，指出Vinokur。

超级半岛理论充实了高能量物理学家可以用来思考夸克的心理模型，它提供了一个强大的实验室，可以使用易于获取的材料探索限制物理学。

“我们的工作表明，小于绑定Cooper对的典型弦长的系统表现得很有趣，”Vinokur说。“他们在这个规模几乎自由移动，因为没有足够的空间为高强度力量发展。这种运动类似于夸克的自由运动，规模足够小。“

Vinokur和佩鲁贾大学的Diamantini，Trugenberger和Luca Gammaitoni正在寻找方法来最终区分2 D和3 D超级半岛。到目前为止，他们已经找到了一个 - 它具有广泛的意义，挑战关于玻璃如何形成的传统观念。

要了解如何合成2 d或3 d superinsulator，研究人员需要“是什么让一个材料三维有充分的认识和另外两维，” Vinokur说。

它们的新的工作表明，3个 d superinsulators显示称为沃格尔-富尔彻-塔曼(临界行为VFT)转变到状态superinsulating时。在Superinsulators 2 d，但显示不同的行为：Berezinskii-科斯特利茨-Thouless过渡。

该发现VFT是背后的机制3个 d superinsulators透露一些令人吃惊：VFT的转变，首先近一个世纪前那样，是负责从液体中形成的玻璃。玻璃不像冰一样结晶 - 它是从无定形的，随机排列的原子中迅速凝固成固体而形成的。

自发现以来，VFT的原因一直是个谜，但科学家长期以来认为它始于某种外部疾病。的3个 d在Vinokur的纸挑战描述superinsulators这种传统观念，相反，建议病症可以从系统中的内部缺陷演变。眼镜可以拓扑的想法 - 它们可以改变它们的内在属性，同时保持大致相同 - 是一个新的发现。

“这一根本性突破是理解自然界不可逆转性起源的重要一步，”Vinokur说。下一步将是观察这一理论的行为，3个 d superinsulators。

该研究汇集了来自明显不同学科的研究人员。Vinokur是一个凝聚态物理学家，而Gammaitoni专注于量子热力学。Diamantini和Trugenberger是量子场论。

“最令人瞩目的是，我们来自非常不同的物理领域，”Vinokur说。“结合我们的知识互补，使我们能够实现这些突破。”

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