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超级绝缘体问世!将成为科学家们的夸克游乐场

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发表于 2019-2-1 00:58:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
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博科园:本文为粒子物理学类

科学家们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,因为它们之间的相互作用是如此强烈,以至于直接检测它们是不可能的,而间接地探索它们的特性通常需要极其昂贵的粒子对撞机,以及数千名研究人员之间的合作。因此,夸克在概念上仍然是陌生和奇怪的,就像《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫一样,它的咧嘴笑是可以察觉——但它的身体却无法察觉。美国能源部阿贡国家实验室的材料科学家瓦莱里·维诺库尔等一批国际科学家开发了一种新方法来探索这些基本粒子,这种方法利用了高能物理中的夸克行为与凝聚态物理中电子行为之间的相似性。

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博科园-科学科普:这一发现将有助于科学家制定和进行实验,为夸克约束、渐近自由和其他现象(如超绝缘体是否能同时存在于二维和三维空间)提供确凿的证据。维诺库尔与意大利佩鲁贾大学的玛丽亚?克里斯蒂娜?迪亚曼蒂尼和瑞士科技大学的卡洛?特鲁根伯格合作,围绕一种名为超绝缘体新物质状态设计了一种理论。他们确定,电子具有控制夸克相互作用的两个重要性质:约束和渐近自由。约束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,随着它们之间距离的增加,它们的引力只会变得更强。这不是我们每天的经历,当你把磁铁分开时,它们分开会变得更容易,但夸克的情况正好相反,他们“抵制”强烈。

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一种三维超级绝缘体,其中涡旋冷凝物(绿色线)将连接电荷-反电荷对(红色和蓝色球)的电场线挤压成电弦(橙色线)。这些弦紧紧地束缚着这些电荷-反电荷对,使它们完全固定,所以不能产生电流。图片:Argonne National Laboratory

夸克相互作用也具有渐近自由的特征,即近距离的夸克完全停止相互作用,一旦它们彼此远离一定距离,核力就会把它们拉回来。上世纪70年代末,诺贝尔奖得主杰拉德?t?胡夫特(Gerard 't Hooft)首次用类比的方法解释了这两个新理论性质。他设想了一种与超导体相反的物质状态,即它无限地抵抗电荷的流动,而不是无限地传导电荷。在“超级绝缘体”(t Hooft将其称为这种状态)中,具有不同自旋的电子对(库珀对)将以一种数学上与基本粒子中的夸克约束相同的方式结合在一起。在超级绝缘体中,扭曲的电场会产生一根绳子,就像把库珀对夫妇绑在一起,拉得越长,这对夫妇就越不愿意分开。这是将夸克结合在一起形成质子和中子的机制。

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1996年在不知道“超级绝缘体”类比的情况下,Diamantini和trugenberger以及他同事Pascuale sodano预测了超绝缘体的存在。然而直到2008年,由阿贡研究人员领导的一项国际合作在氮化钛薄膜中重新发现了超绝缘体,它才从理论上得到证实。维诺库尔指出,利用他们的实验结果,构建了一个描述超绝缘子行为的理论,并最终导致了他们最近的发现。这个理论建立了一个库柏对模型,模拟了夸克的约束和渐近自由。超绝缘体理论充实了高能物理学家用来思考夸克的心理模型,并为利用容易获得材料探索约束物理提供了一个强大的实验室。研究表明,比连接库珀对弦的典型长度更小系统表现出一种有趣的方式。在这种规模下,它们几乎可以自由移动,因为没有足够的空间来发展高强度的力量,这种运动类似于夸克在足够小的范围内自由运动。

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维诺库尔和佩鲁贾大学(University of Perugia)的迪亚曼蒂尼(Diamantini)、特鲁根伯格(Trugenberger)以及卢卡说:到目前为止,他们已经发现了一种——它具有广泛的意义,挑战了关于玻璃如何形成的传统观念。为了发现如何合成二维或三维的超级绝缘体,研究人员需要“充分理解是什么让一种材料变成三维,另一种材料变成二维”。新研究表明,三维超绝缘体在过渡到超绝缘状态时表现出一种被称为vgel - fulcher - tammann (VFT)的临界行为。然而,二维超导绝缘体表现出一种不同的行为:Berezinskii-Kosterlitz-Thouless跃迁。VFT是三维超级绝缘体背后的机制,这一发现揭示了一个令人惊讶的事实:近一个世纪前首次描述的VFT转变,是液体玻璃形成的原因。玻璃不像冰那样是结晶的,它是由无定形、随机排列的原子快速凝固成固体而形成。

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自VFT被发现以来,它的成因一直是个谜,但科学家们一直认为它起源于某种外部紊乱。维诺库的论文中描述三维超级绝缘体挑战了这一传统观念,相反它认为无序可以从系统内部缺陷演化而来。眼镜可以是拓扑结构的这一观点是一个新发现——它们可以改变自身的固有属性,同时在物质上保持不变。这一根本性突破为理解自然界不可逆性的起源迈出了重要的一步,下一步将是观察三维超绝缘体的这种理论行为。这项研究汇集了来自明显不同学科的研究人员。维诺库是凝聚态物理学家,而Gammaitoni则专注于量子热力学。戴曼蒂尼和特鲁根伯格都是量子场论的研究者。维诺库说:最值得注意的是,我们来自非常不同的物理领域,结合我们互补的知识,能够实现这些突破!

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博科园-科学科普|研究/来自:阿贡国家实验室

Savannah Mitchem, Christina Nunez, Argonne National Laboratory

参考期刊文献:《Scientific Reports》

DOI: 10.1038/s42005-018-0073-9

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