Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
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 За десятки километров от побережья Гренландии лежат скалистые острова Китсиссут, которые на первый взгляд кажутся неприступными для людей, не имеющих современных лодок и других технологий. Однако авторы нового исследования выяснили, что тысячи лет назад люди все же смогли достичь этих суровых земель. Мореплаватели каменного века не просто посещали острова — они обосновались там, совершив одно из самых длинных и опасных морских путешествий в истории древней Арктики.
Подобно летучим мышам, ориентирующимся в темноте, человек тоже может полагаться на эхо от звуковых сигналов, например щелчков языком, чтобы оценить расстояние до объектов. Как показало новое исследование, эхолокация — это навык, которому можно научиться.
Канализационный коллектор — скрытый источник загрязнения воздуха в городе. Через его вентиляционные шахты накопленный сероводород и другие агрессивные газы вместе с патогенной микрофлорой выталкиваются на поверхность при сверхплановом заполнении. Эта ядовитая смесь вредит здоровью людей и разъедает бетонные конструкции канализаций. Существующие сегодня защитные механизмы и дорогостоящие вентиляционные системы очистки имеют ограничения: конечные фильтры при достижении пиковой концентрации опасных испарений уходят в аварийный режим. Ученые ПНИПУ и компании «Вентмонтаж» разработали новое решение на основе гидрофильтра. Внедрение системы избавит воздух на 96,8% от механических примесей и на 65% снизит выброс агрессивных газов, а с помощью озонатора обеспечит полное обеззараживание.
В 1980-х годах большую популярность приобрела борьба с озоновыми дырами. Из-за нее хладагенты из хлорфторгулеродов заменили на аналоги из гидрофторуглеродов. Теперь ученые выяснили, что эта замена — как и следующие за ней, уже в рамках борьбы с глобальным потеплением — ведет к накоплению в атмосфере довольно опасных «вечных химикатов».
Группа ученых представила расчеты, по которым события в центре Млечного Пути можно объяснить без черной дыры. Правда, с физической точки зрения новое объяснение существенно более экзотично — настолько, что возникает вопрос о его соответствии бритве Оккама.
Паническое расстройство характеризуется физическим напряжением, усиленным сердцебиением и одышкой. Ученые из Бразилии нашли способ бороться с этим недугом, создавая схожее физическое напряжение, но в спокойной и контролируемой обстановке — во время физупражнений.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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