Ученые объяснили процессы в топологическом изоляторе с помощью танца
Физики нашли способ наглядно продемонстрировать взаимодействие электронов в особом виде квантовых материалов. Возможность демонстрировать теоретические концепции со сложным математическим аппаратом описания в понятном для широкой публике виде — важная часть не только популяризации науки, но и образовательного процесса на разных уровнях.
Наука сложна для объяснения широкой аудитории. На самом деле, любое ее направление может быть трудным для понимания даже ученым, работающим в другой области. Объяснить теоретическую концепцию школьникам так, чтобы они не испугались и заинтересовались, — задача, требующая творческого подхода.
Исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) удалось это сделать. Они организовали танец с учениками старших классов, чтобы наглядно объяснить природу свойств и внутренней организации топологических изоляторов.
«Концепция топологического изолятора довольно проста, но математика процессов намного сложнее. Мы хотели показать, что сложные идеи в теоретической и экспериментальной физике и химии не так уж невозможны для понимания, как может показаться», — рассказал профессор Джоэл Юэн-Чжоу (Joel Yuen-Zhou).
Топологические изоляторы — относительно новый вид квантовых материалов. Они ведут себя как изолятор внутри объема вещества, но проводят электрический ток по поверхности. Полная противоположность электрическим проводам, специально покрытых слоем изоляции. Мы регулярно сталкиваемся с организационной структурой, где свойства внешнего слоя значительно отличаются от свойств объема объекта. Примерами будут человеческая кожа и кора дерева, верхний слой которых состоит из омертвевших клеток, или пирожок, где внешний слой — это тесто.
Топологические изоляторы могут сохранять свои свойства, несмотря на некоторые дефекты и деформации. Это делает их перспективными для квантовых вычислений, создания лазеров и разработки более эффективной электроники.
Чтобы наглядно продемонстрировать свойства этих квантовых материалов, исследователи воссоздали топологический изолятор на асфальте, разметив его красной и синей изолентой. Мэттью Ду (Matthew Du) разработал серию определяющих движений каждого танцора правил.
Эти правила базировались на понятии гамильтониана в квантовой механике. Электроны следуют правилам, заложенным в функции Гамильтона. Она описывает полную энергию квантовой системы, включая кинетическую и потенциальную энергию. Гамильтониан также определяет взаимодействия электрона с потенциальной энергией материала.
Чтобы определить хореографию танца, ученые разработали алгоритм для приблизительного распространения волновой функции и сопоставили ее сначала с действительными числами, а затем с движениями человека.
Каждый танцор представляет электрон и ведет себя как он. У танцоров есть пара флажков и номер, соответствующий конкретному движению:
1 = махать флажками, держа руки вверх;
0 = оставаться неподвижным;
-1 = махать флажками, опустив руки вниз;
Движения каждого зависят от того, что делал соседний танцор и на каком цвете ленты на полу он стоял. Танцор повторял действия соседа на синей ленте, но выполнял противоположное, если сосед находился на красной ленте. Ошибки или уход одного танцора с танцпола не нарушает целостности танца, так получилось показать устойчивость топологических изоляторов.
Мэттью Ду, родившийся в семье педагогов, убежденной в необходимости популяризации науки, утверждает, что этот проект дал ему понимание того, насколько важно уметь свести науку к ее основам.
«Мы хотели убрать „мистику“ из концепции топологического изолятора необычным способом», — отметил он.
Танец и сопроводительные вычисления опубликованы в журнале Science Advances.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В эпоху искусственного интеллекта и стремительного развития технологий знание языка становится инструментальной компетенцией, а умение работать с учетом культурного контекста — стратегической. В День филолога, кандидат педагогических наук Екатерина Щавелева, заведующая кафедрой иностранных языков и коммуникативных технологий НИТУ МИСИС рассказывает, как гуманитарное образование приобретает новую ответственность и какое будущее у межкультурной коммуникации.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии