Ученые иллюстрировали процессы в топологическом изоляторе через танец.

Научные концепции часто сложно объяснить широкой публике. На самом деле, любое направление науки может быть трудным для восприятия даже для специалистов в других областях. Объяснить теоретическую идею школьникам так, чтобы они не испугались и заинтересовались, — задача, требующая креативного подхода.

Исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) удалось это осуществить. Они организовали танец с учениками старших классов, чтобы наглядно продемонстрировать природу свойств и внутренней структуры топологических изоляторов.

«Концепция топологического изолятора достаточно проста, но математические аспекты процессов значительно сложнее. Мы стремились показать, что сложные идеи в теоретической и экспериментальной физике и химии не столь невообразимы для понимания, как может показаться на первый взгляд», — отметил профессор Джоэл Юэн-Чжоу (Joel Yuen-Zhou).

Топологические изоляторы — это относительно новый класс квантовых материалов. Они функционируют как изоляторы внутри вещества, но способны проводить электрический ток по своей поверхности. Это полная противоположность электрическим проводам, которые имеют изоляционное покрытие. Мы часто сталкиваемся с структурами, где характеристики внешнего слоя существенно отличаются от свойств внутренней части объекта. Примеры включают человеческую кожу и кору дерева, верхние слои которых состоят из омертвевших клеток, или пирожок, где внешний слой — это тесто.

Топологические изоляторы могут сохранять свои характеристики, несмотря на наличие некоторых дефектов и деформаций. 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, используя красную и синюю изоленту для разметки. Мэттью Ду (Matthew Du) разработал серию определенных движений для каждого танцора.

Эти движения основывались на понятии гамильтониана в квантовой механике. Электроны следуют правилам, заложенным в функции Гамильтона, которая описывает полную энергию квантовой системы, включая как кинетическую, так и потенциальную энергию. Гамильтониан также определяет взаимодействия электрона с потенциальной энергией материала.

Чтобы создать хореографию танца, ученые разработали алгоритм для приближенного распространения волновой функции и сопоставили его сначала с действительными числами, а затем с движениями человека.

Каждый танцор представляет собой 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 танцора зависят от действий соседнего танцора и того, на каком цвете ленты он стоит. Танцор повторяет действия соседа на синей ленте, но выполняет противоположное действие, если сосед стоит на красной ленте. Ошибки или уход одного танцора с танцпола не нарушают целостности танца, что позволяет продемонстрировать устойчивость топологических изоляторов.

Мэттью Ду, выросший в семье педагогов, которые верят в необходимость популяризации науки, утверждает, что этот проект помог ему понять, насколько важно уметь свести науку к ее основам.

«Мы стремились убрать „мистику“ из концепции топологического изолятора необычным способом», — добавил он.

Танец и сопроводительные вычисления опубликованы в журнале Science Advances.