Gli scienziati accettano ampiamente l'esistenza dei quark, le particelle fondamentali che compongono protoni e neutroni. Ma le informazioni su di loro sono ancora sfuggenti, poiché la loro interazione è così forte che il loro rilevamento diretto è impossibile e l'esplorazione delle loro proprietà indirettamente richiede spesso collisori di particelle estremamente costosi e collaborazioni tra migliaia di ricercatori. Così, i quark rimangono concettualmente estranei e strani come il gatto del Cheshire in "Alice's Adventures in Wonderland, " il cui sorriso è rilevabile, ma non il suo corpo.

Un gruppo internazionale di scienziati che include lo scienziato dei materiali Valerii Vinokur dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha sviluppato un nuovo metodo per esplorare queste particelle fondamentali che sfrutta un'analogia tra il comportamento dei quark nella fisica delle alte energie e quello di elettroni nella fisica della materia condensata. Questa scoperta aiuterà gli scienziati a formulare e condurre esperimenti che potrebbero fornire prove conclusive per il confinamento dei quark, libertà asintotica, e altri fenomeni, ad esempio se i superisolatori possono esistere sia in due che in tre dimensioni.

Vinokur, lavorando con Maria Cristina Diamantini dell'Università di Perugia in Italia e Carlo Trugenberger di SwissScientific Technologies in Svizzera, escogitò una teoria attorno a un nuovo stato della materia chiamato superisolante, in cui gli elettroni mostrano alcune delle stesse proprietà dei quark.

Gli elettroni, hanno determinato, condividono due importanti proprietà che governano le interazioni dei quark:confinamento e libertà asintotica. Il confinamento è il meccanismo che lega insieme i quark in particelle composite. A differenza delle particelle caricate elettricamente, i quark non possono essere separati l'uno dall'altro. All'aumentare della distanza tra loro, la loro attrazione diventa solo più forte.

"Questa non è la nostra esperienza quotidiana, " disse Vinokur. "Quando si separano i magneti, diventa più facile quando sono separati, ma per i quark è vero il contrario. Resistono ferocemente".

Le interazioni dei quark sono anche caratterizzate da libertà asintotica, dove i quark a distanza ravvicinata smettono di interagire del tutto. Una volta che percorrono una certa distanza l'uno dall'altro, una forza nucleare li trascina indietro.

Alla fine degli anni Settanta, Il premio Nobel Gerard 't Hooft ha spiegato per primo queste due proprietà recentemente teorizzate usando un'analogia. Ha immaginato uno stato della materia che è l'opposto di un superconduttore in quanto resiste infinitamente al flusso di carica piuttosto che condurlo infinitamente. In un "superisolatore, "come 't Hooft chiamava questo stato, coppie di elettroni con spin diversi - coppie di Cooper - si legherebbero insieme in un modo che è matematicamente identico al confinamento dei quark all'interno delle particelle elementari.

"Il campo elettrico distorto in un superisolatore crea una stringa che lega le coppie di coppie Cooper, e più li allunghi, più la coppia resiste alla separazione, " ha detto Vinokur. "Questo è il meccanismo che lega insieme i quark in protoni e neutroni."

Nel 1996, ignaro dell'analogia di 't Hooft, Diamantini e Trugenberger, insieme al collega Pascuale Sodano, predissero l'esistenza di superisolatori. Però, i superisolatori sono rimasti teorici fino al 2008, quando una collaborazione internazionale guidata da ricercatori di Argonne li ha riscoperti in film di nitruro di titanio.

Utilizzando i loro risultati sperimentali, hanno costruito una teoria che descrive il comportamento dei superisolatori che alla fine ha portato alla loro recente scoperta, che ha stabilito una coppia di Cooper analoga sia al confinamento che alla libertà asintotica dei quark, il modo in cui 't Hooft immaginava, ha notato Vinokur.

La teoria dei superisolatori dà corpo a un modello mentale che i fisici delle alte energie possono usare per pensare ai quark, e offre un potente laboratorio per esplorare la fisica del confinamento utilizzando materiali facilmente accessibili.

"Il nostro lavoro suggerisce che i sistemi più piccoli della lunghezza tipica delle corde che legano le coppie Cooper si comportano in modo interessante, " ha detto Vinokur. "Si muovono quasi liberamente su questa scala perché non c'è abbastanza spazio per lo sviluppo di forze ad alta resistenza. Questo movimento è analogo al movimento libero dei quark su una scala abbastanza piccola."

Vinokur e i co-ricercatori Diamantini, Trugenberger, e Luca Gammaitoni dell'Università di Perugia stanno cercando modi per differenziare in modo definitivo tra i superisolatori 2-D e 3-D. Finora, ne hanno trovato uno, e ha un significato ampio, sfidando le nozioni convenzionali su come si forma il vetro.

Per scoprire come sintetizzare un superisolante 2-D o 3-D, i ricercatori hanno bisogno di "una piena comprensione di ciò che rende un materiale tridimensionale e un altro bidimensionale, " Disse Vinokur.

Il loro nuovo lavoro mostra che i superisolanti 3-D mostrano un comportamento critico noto come Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) quando passano a uno stato superisolante. Superisolatori in 2-D, però, mostrano un comportamento diverso:la transizione Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.

La scoperta che la VFT è il meccanismo alla base dei superisolatori 3-D ha rivelato qualcosa di sorprendente:transizioni VFT, descritto per la prima volta quasi un secolo fa, sono responsabili della formazione del vetro da un liquido. Il vetro non è cristallino, come il ghiaccio - emerge da un amorfo, disposizione casuale di atomi che si congelano rapidamente in un solido.

La causa della VFT è rimasta un mistero sin dalla sua scoperta, ma gli scienziati hanno creduto a lungo che fosse iniziato con una sorta di disturbo esterno. I superisolanti 3-D descritti nell'articolo di Vinokur sfidano questa nozione convenzionale e, Invece, suggeriscono che il disordine può evolvere da un difetto interno nel sistema. L'idea che i vetri possano essere topologici - possono alterare le loro proprietà intrinseche pur rimanendo materialmente gli stessi - è una nuova scoperta.

"Questa svolta fondamentale costituisce un passo significativo nella comprensione dell'origine dell'irreversibilità in natura, " Ha detto Vinokur. Il prossimo passo sarà osservare questo comportamento teorico nei superisolatori 3-D.

Lo studio ha riunito ricercatori di discipline nettamente diverse. Vinokur è un fisico della materia condensata, mentre Gammaitoni si concentra sulla termodinamica quantistica. Diamantini e Trugenberger sono nella teoria quantistica dei campi.

"È stato straordinario che proveniamo da campi della fisica molto disparati, " ha detto Vinokur. "La combinazione delle nostre conoscenze complementari ci ha permesso di raggiungere queste scoperte".

I risultati dello studio sulle coppie di Cooper appaiono nel documento "Confinamento e libertà asintotica con coppie di Cooper, " pubblicato il 7 novembre, 2018 in Fisica delle comunicazioni . Il lavoro sui meccanismi dei superisolatori 3-D è delineato nel documento "Vogel-Fulcher-Tamman criticità dei superisolatori 3-D, " pubblicato in Rapporti scientifici il 24 ottobre, 2018.