Ученые нашли способ наглядно показать взаимодействие электронов в особых квантовых материалах.
Показать теоретические концепции с сложным математическим описанием понятным для всех людям способом — важная часть популяризации науки и образовательного процесса на разных уровнях.
Науку сложно донести до широкой публики. Даже специалистам из других отраслей может быть трудно понять отдельные её области. Попробовать объяснить теоретические концепции школьникам так, чтобы не напугать и пробудить интерес – задача, требующая креативного решения.
Учёным из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) это удалось. организовалиДемонстрация танца с учащимися выпускных классов для наглядного объяснения свойств и внутренней структуры топологических изоляторов.
Концепция топологического изолятора достаточно проста, но математика процессов намного сложнее. Хотели показать, что сложные идеи в теоретической и экспериментальной физике и химии не так уж непонятны, как может показаться, — сказал профессор Джоэл Юэн-Чжоу. Joel Yuen-Zhou).
Топологические изоляторы — новый вид квантовых материалов. Внутри они ведут себя как изолятор, а по поверхности проводят электрический ток. Это полная противоположность проводам с покрытием из изоляции. Часто встречаем организованную структуру, где свойства внешнего слоя отличаются от свойств объема объекта. Примеры — кожа человека или кора дерева, внешний слой которых состоит из омертвевших клеток, или пирожок, где наружный слой — это тесто.
Топологические изоляторы могут сохранятьНесмотря на имеющиеся дефекты и деформации, материал обладает ценными свойствами. Это открывает перспективы для применения его в квантовых вычислениях, создании лазерных устройств и разработке более совершенной электроники.
Чтобы наглядно продемонстрироватьИсследователи воссоздали топологический изолятор на асфальте, используя красную и синюю изоленту для выделения его свойств. Matthew DuРазработан ряд правил, определённых для каждого танцора.
Правила основывались на понятии гамильтониана в квантовой механике. Электроны подчиняются правилам, заложенным в функции Гамильтона. Функция описывает полную энергию квантовой системы, включающую кинетическую и потенциальную энергию. Гамильтониан также определяет взаимодействие электрона с потенциальной энергией материала.
Для установления хореографии танца исследователи… разработалиРазработали алгоритм для приближенного расчета распространения волновой функции и сравнили его результаты сначала с действительными данными, а затем с движениями человека.
Каждый участник танцует, воплощая в себе электрон и имитируя его поведение. У каждого из них по два флага и порядковый номер, обозначающий определённое движение.
Приветствовать, поднимая руки с флажками.
0 = оставаться неподвижным;
-1 = махать флажками, прижимая руки к телу.
Каждый танцор двигается в зависимости от действий своего соседа и цвета ленты под ногами. Танцор повторяет действия соседа на синей ленте, но выполняет противоположное, если сосед находится на красной ленте. Ошибка или уход одного танцора с танцпола не нарушает целостность танца, демонстрируя устойчивость топологических изоляторов.
Мэттью Ду, сын учителей, считавших важным популяризировать науку, говорит, что проект помог ему понять значимость способности упрощать научные понятия до их корней.
Цель заключалась в удалении „мистики“ из понятия топологического изолятора при помощи нестандартного подхода, как сообщил учёный.
Танец и сопроводительные вычисления опубликованы в журнале Science Advances.