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 Способность договариваться с сородичами, будь то танец пчел или предупреждающий крик примата, хорошо изучена. Но то, как животные координируют действия с представителями других видов, долго оставалось загадкой. Международная группа ученых собрала воедино все известные случаи такой межвидовой коммуникации и выяснила, что во время эволюции выработался гибкий язык сигналов.
Канадские исследователи установили, что регулярный прием добавок кальция, витамина D или их комбинации практически не снижает риск переломов и падений у большинства пожилых людей. Врачи, профессиональные ассоциации и официальные руководства по всему миру продолжают массово назначать эти препараты для защиты скелета, а объемы их выписки в последние годы только росли.
Биологи доказали, что способность млекопитающих восстанавливать утраченные конечности и их части не исчезла в ходе эволюции, а просто заблокирована на генетическом уровне. Во время экспериментов на животных авторы работы успешно вырастили заново кости, суставы, связки и сухожилия, которые обычно не восстанавливаются после ампутации.
Физики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ разработали новый подход к созданию материалов водородной энергетики, основанный на управлении дефектной структурой и иерархической архитектурой материала. Подход позволяет перейти от традиционного подбора составов и добавок к проектированию материалов с заданными характеристиками хранения и транспорта водорода.
Международная группа ученых выяснила, что макаки способны мысленно моделировать свои решения и заранее готовиться к грядущим событиям. Ранее умение просчитывать альтернативные варианты развития ситуации и оценивать собственные шансы на успех эксперты считали одной из ключевых особенностей исключительно человеческого мышления.
Ученые из МФТИ, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Тринити-колледжа Дублина разработали математический аппарат для описания процессов, важных для будущей магнитной памяти, спинтроники и терагерцовой физики. Предложенный теоретический метод описывает инерционную динамику намагниченности ферромагнитных наночастиц в условиях теплового шума и внешнего магнитного поля. Результаты работы позволят ускорить разработку устройств сверхбыстрой магнитной памяти и терагерцовой спинтроники.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
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.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
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