人类拓扑绝缘体：研究人员使用精心编排的舞蹈来解释量子材料

更新时间：2024-11-06 09:06  浏览量：7

基于舞蹈的人体拓扑绝缘体的动力学。图片来源：科学进展 （2024）。DOI：10.1126/sciadv.adh7810

科学可能很难向公众解释。事实上，科学的任何子领域都很难向另一位在不同领域研究的科学家解释。向高中生解释理论科学概念需要一种全新的思维方式。

这正是加州大学圣地亚哥分校的研究人员在埃斯孔迪多的 Orange Glen 高中与高中生一起编排舞蹈时所做的，以此来解释拓扑绝缘体。

该实验由前研究生Matthew Du和加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学副教授Joel Yuen-周领导，发表在《科学进展》上。

“我认为这个概念很简单，”Yuen-周 说。“但数学要难得多。我们想证明，理论和实验物理学和化学中的这些复杂概念实际上并不像你最初想象的那么不可能理解。

拓扑绝缘体是一种相对较新的量子材料，其内部具有绝缘特性，但在外部具有导电特性。使用南加州的主食，如果拓扑绝缘体是墨西哥卷饼，则填充物将是绝缘的，而玉米饼将是导电的。

由于拓扑绝缘体能够承受一些无序和变形，因此它们可以在可能出现缺陷的条件下合成和使用。因此，它们在量子计算和激光领域以及创造更高效的电子产品方面大有希望。

为了让这些量子材料栩栩如生，研究人员用蓝色和红色胶带制作了一个网格，制作了一个舞池（拓扑绝缘体）。然后，为了编排舞蹈，Du 创建了一系列规则来控制各个舞者的移动方式。

这些规则基于量子力学中所谓的哈密顿量。电子遵循哈密顿量给出的规则，哈密顿量表示量子系统的总能量，包括动能和势能。哈密顿量编码电子在材料势能中的相互作用。

每个舞者 （electron） 都有一对旗帜，并被赋予一个与一个动作相对应的数字：

随后的动作基于相邻舞者的行为和地板上胶带的颜色。舞者会用蓝色胶带模仿邻居，但会做与带有繁文缛节的邻居相反的事情。个人错误或舞者离开地板并没有破坏整体舞蹈，展示了拓扑绝缘体的稳健性。

除了拓扑学，周元的实验室还研究化学过程和光子学，正是在思考光波时，他们意识到一群人的运动也类似于波。

这让 Yuen-周 产生了用舞蹈来解释拓扑绝缘体等复杂主题的想法。实施这个想法对 Du 来说似乎是一个有趣的挑战，他目前是芝加哥大学的博士后学者，在空闲时间上萨尔萨舞课。

Du 来自一个教育世家，致力于科学推广，他说，这个项目让他很欣赏能够将科学提炼成最简单的元素。

“我们想以一种非常规和有趣的方式揭开这些概念的神秘面纱，”他说。“希望学生们能够看到，通过将科学与日常生活联系起来，可以使科学变得易于理解和愉快。”

期刊信息： Science Advances