Les scientifiques acceptent largement l'existence des quarks, les particules fondamentales qui composent les protons et les neutrons. Mais les informations à leur sujet sont encore insaisissables, puisque leur interaction est si forte que leur détection directe est impossible et que l'exploration indirecte de leurs propriétés nécessite souvent des collisionneurs de particules extrêmement coûteux et des collaborations entre des milliers de chercheurs. Donc, les quarks restent conceptuellement étrangers et étranges comme le chat du Cheshire dans "Alice's Adventures in Wonderland, " dont le sourire est détectable, mais pas son corps.

Un groupe international de scientifiques, dont Valerii Vinokur, spécialiste des matériaux du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE), a mis au point une nouvelle méthode d'exploration de ces particules fondamentales qui exploite une analogie entre le comportement des quarks en physique des hautes énergies et celui des électrons en physique de la matière condensée. Cette découverte aidera les scientifiques à formuler et à mener des expériences qui pourraient fournir des preuves concluantes du confinement des quarks, liberté asymptotique, et d'autres phénomènes, comme si les superisolants peuvent exister à la fois en deux et trois dimensions.

Vinokur, travaillant avec Maria Cristina Diamantini de l'Université de Pérouse en Italie et Carlo Trugenberger de SwissScientific Technologies en Suisse, a conçu une théorie autour d'un nouvel état de la matière appelé un superisolant, dans lequel les électrons présentent certaines des mêmes propriétés que les quarks.

Les électrons, ils ont déterminé, partagent deux propriétés importantes qui régissent les interactions des quarks :le confinement et la liberté asymptotique. Le confinement est le mécanisme qui lie les quarks entre eux en particules composites. Contrairement aux particules chargées électriquement, les quarks ne peuvent pas être séparés les uns des autres. Au fur et à mesure que la distance entre eux augmente, leur traction n'en devient que plus forte.

"Ce n'est pas notre expérience quotidienne, " dit Vinokur. " Quand vous séparez les aimants, cela devient plus facile lorsqu'ils sont séparés, mais l'inverse est vrai pour les quarks. Ils résistent farouchement."

Les interactions quarks sont également caractérisées par la liberté asymptotique, où les quarks à courte distance cessent d'interagir complètement. Une fois qu'ils se sont éloignés l'un de l'autre, une force nucléaire les ramène.

A la fin des années 1970, Le lauréat du prix Nobel Gerard 't Hooft a d'abord expliqué ces deux propriétés nouvellement théorisées en utilisant une analogie. Il a imaginé un état de la matière qui est à l'opposé d'un supraconducteur en ce sens qu'il résiste infiniment au flux de charge plutôt que de le conduire infiniment. Dans un "superisolant, " comme 't Hooft appelait cet état, des paires d'électrons de spins différents (paires de Cooper) se lieraient d'une manière mathématiquement identique au confinement des quarks à l'intérieur des particules élémentaires.

"Le champ électrique déformé dans un superisolant crée une corde qui lie les couples de paires de Cooper, et plus vous les étirez, plus le couple résiste à la séparation, " a déclaré Vinokur. "C'est le mécanisme qui lie les quarks ensemble en protons et neutrons."

En 1996, ignorant l'analogie de 't Hooft, Diamantini et Trugenberger, ainsi que leur collègue Pascuale Sodano, ont prédit l'existence de superisolants. Cependant, les superisolants sont restés théoriques jusqu'en 2008, lorsqu'une collaboration internationale menée par des chercheurs d'Argonne les a redécouverts dans des films de nitrure de titane.

En utilisant leurs résultats expérimentaux, ils ont construit une théorie décrivant le comportement du superisolant qui a finalement conduit à leur récente découverte, qui a établi une paire de Cooper analogue à la fois au confinement et à la liberté asymptotique des quarks, la façon dont 't Hooft a imaginé, nota Vinokur.

La théorie des superisolants étoffe un modèle mental que les physiciens des hautes énergies peuvent utiliser pour réfléchir aux quarks, et il offre un laboratoire puissant pour explorer la physique du confinement à l'aide de matériaux facilement accessibles.

"Notre travail suggère que les systèmes plus petits que la longueur typique des cordes qui lient les paires de Cooper se comportent de manière intéressante, " a déclaré Vinokur. " Ils se déplacent presque librement à cette échelle car il n'y a pas assez de place pour que les forces à haute résistance se développent. Ce mouvement est analogue au mouvement libre des quarks à une échelle suffisamment petite. »

Vinokur et les co-chercheurs Diamantini, Trugenberger, et Luca Gammaitoni de l'Université de Pérouse cherchent des moyens de différencier de manière concluante les superisolants 2D et 3D. Jusque là, ils en ont trouvé un - et il a une large signification, remettre en question les notions conventionnelles sur la façon dont le verre se forme.

Pour découvrir comment synthétiser un superisolant 2D ou 3D, les chercheurs ont besoin « d'une compréhension complète de ce qui rend un matériau tridimensionnel et un autre bidimensionnel, " dit Vinokur.

Leurs nouveaux travaux montrent que les superisolants 3-D présentent un comportement critique connu sous le nom de Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) lors de la transition vers un état superisolant. Superisolants en 2D, cependant, présentent un comportement différent :la transition Berezinskii-Kosterlitz-Thouless.

La découverte que VFT est le mécanisme derrière les superisolants 3-D a révélé quelque chose de surprenant :les transitions VFT, décrit pour la première fois il y a près d'un siècle, sont responsables de la formation de verre à partir d'un liquide. Le verre n'est pas cristallin, comme la glace - il émerge d'un amorphe, arrangement aléatoire d'atomes qui gèlent rapidement en un solide.

La cause du VFT est restée un mystère depuis sa découverte, mais les scientifiques ont longtemps cru que cela commençait par une sorte de désordre externe. Les superisolants 3-D décrits dans l'article de Vinokur remettent en cause cette notion conventionnelle et, au lieu, suggèrent que le désordre peut évoluer à partir d'un défaut interne dans le système. L'idée que les verres peuvent être topologiques - ils peuvent altérer leurs propriétés intrinsèques tout en restant matériellement les mêmes - est une nouvelle découverte.

« Cette avancée fondamentale constitue une étape importante dans la compréhension de l'origine de l'irréversibilité dans la nature, " a déclaré Vinokur. La prochaine étape sera d'observer ce comportement théorique dans les superisolants 3-D.

L'étude a réuni des chercheurs de disciplines très différentes. Vinokur est un physicien de la matière condensée, tandis que Gammaitoni se concentre sur la thermodynamique quantique. Diamantini et Trugenberger sont en théorie quantique des champs.

"C'était très remarquable que nous venions de domaines très disparates de la physique, " a déclaré Vinokur. " La combinaison de nos connaissances complémentaires nous a permis de réaliser ces percées. "

Les résultats de l'étude des paires de Cooper apparaissent dans l'article « Confinement et liberté asymptotique avec des paires de Cooper, " publié le 7 novembre 2018 en Physique des communications . Les travaux sur les mécanismes des superisolants 3-D sont décrits dans l'article "Vogel-Fulcher-Tamman criticity of 3-D superinsulators, " Publié dans Rapports scientifiques le 24 octobre, 2018.