Физика

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.