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 Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
Канадские исследователи идентифицировали останки четырех членов пропавшей полярной экспедиции Джона Франклина 1845 года, сравнив их ДНК с генетическим материалом современных потомков. Открытие решило полуторавековую загадку с переодетым матросом и помогло восстановить маршрут отступления экипажа по льдам. Выяснилось, что при эвакуации моряки разделились по кораблям, после чего бросили ослабевших товарищей в спасательных шлюпках.
Психопатия — пугающее расстройство личности, оно ассоциируется с безжалостностью, жестокостью, агрессией и насилием. Неудивительно, что самая большая концентрация выявленных психопатов наблюдается в тюрьмах, где каждый 25-й заключенный демонстрирует высокий уровень психопатии. Помимо социальных проблем, эта болезнь наносит обществу материальный ущерб, достигающий сотен миллиардов долларов в год.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
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