Физикам удалось разработать метод визуализации взаимодействия электронов в уникальных квантовых материалах. Возможность представления сложных теоретических концепций, требующих сложного математического описания, в доступной форме – это важный элемент не только популяризации науки, но и обучения на различных уровнях.
Популярное изложение научных знаний — непростая задача. Практически любое научное направление может оказаться непонятным даже для специалистов, работающих в смежных областях. Чтобы заинтересовать школьников и помочь им освоить теоретические концепции без отторжения, необходим креативный подход.
Это стало возможным благодаря работе ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США организовали танец с учениками старших классов, чтобы наглядно объяснить природу свойств и внутренней организации топологических изоляторов.
«Идея топологического изолятора довольно проста, однако математическое описание связанных процессов значительно сложнее. Наша цель состояла в том, чтобы продемонстрировать, что сложные концепции в теоретической и экспериментальной физике и химии не так непостижимы, как могут показаться», — отметил профессор Джоэл Юэн-Чжоу ( Joel Yuen-Zhou).
Топологические изоляторы – это класс квантовых материалов, появившийся относительно недавно. Эти материалы не проводят электрический ток внутри своей структуры, но обеспечивают его проводимость по поверхности. Это принципиально отличается от электрических проводов, которые обычно имеют изолирующее покрытие. В организациях мы часто наблюдаем структуры, в которых характеристики внешнего слоя существенно отличаются от характеристик внутренней части объекта. В качестве примеров можно привести человеческую кожу и кору дерева, верхний слой которых образован мертвыми клетками, или пирожок, где тесто формирует внешний слой.
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) была разработана серия регламентирующих движений для каждого танцора.
Данные принципы вытекают из концепции гамильтониана в квантовой механике. Электроны подчиняются правилам, сформулированным в функции Гамильтона. Она определяет полную энергию квантовой системы, охватывая кинетическую и потенциальную составляющие. Гамильтониан также описывает взаимодействие 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 ассоциируется с определенным элементом и воспроизводит его особенности. У танцоров предусмотрены идентификаторы и номера, которые соответствуют конкретным движениям:
1 = поднимать руки вверх и размахивать флажками;
0 = оставаться неподвижным;
-1 = демонстрировать разочарование, опустив руки;
Поведение каждого участника определялось действиями его соседа и цветом ленты, на которой тот стоял. Танцор воспроизводил действия соседа, находившегося на синей ленте, однако совершал противоположные действия, если сосед стоял на красной ленте. Исследование показало, что выход одного танцора с танцпола или возникновение ошибок не приводит к разрушению общей структуры танца, демонстрируя устойчивость топологических изоляторов.
Выросший в семье учителей, приверженцев популяризации науки, Мэттью Ду считает, что благодаря этому проекту он осознал, как важно уметь объяснять научные концепции простым языком.
«Он подчеркнул, что целью было исключение элементов мистики из концепции топологического изолятора, причём нестандартным методом.
Танец и сопроводительные вычисления опубликованы в журнале Science Advances.