رقص عایق‌های مرموز و الکترون‌ها: علم فیزیک چطور با رقص توضیح داده شد؟

توضیح علم به زبان آدمیزاد

رسوندن مفاهیم علمی به گوش همه‌ی مردم، یه جورایی کارِ سختیه. راستش، هر شاخه‌ای از علم ممکنه برای یه دانشمندِ یه رشته‌ی دیگه، یه معما باشه. اگه بخوایم یه ایده‌ی علمیِ پیچیده رو به بچه‌های دبیرستانی توضیح بدیم، باید یه راهِ تازه‌تر پیدا کنیم. این دقیقاً کاریه که محققای دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، انجام دادن. اونا با یه رقص توی دبیرستان اورنج گلن تو اسکندیدو، سعی کردن مفهوم عایق‌های توپولوژیکی رو توضیح بدن.

این آزمایش که رهبریش با متیو دو، دانشجوی سابق و استاد شیمی و بیوشیمی دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، و جوئل یوان-ژو بود، توی مجله‌ی Science Advances چاپ شد. یوان-ژو می‌گه: “به نظر من مفهوم ساده است، اما ریاضیات پشتش خیلی پیچیده‌تره. می‌خواستیم نشون بدیم این ایده‌های پیچیده توی فیزیک و شیمیِ نظری و تجربی، اون‌قدر که فکر می‌کنید دست‌نیافتنی نیستن.”

عایق‌های توپولوژیکی و کاربردهاشون

عایق‌های توپولوژیکی یه جور ماده‌ی کوانتومی نسبتاً جدیدن که تو خودشون مثل عایق عمل می‌کنن، اما سطحشون هادیه. اگه بخوایم ساده بگیم، انگار این عایق‌ها یه بوریتو هستن که تووش عایقه و نانش هادی. چون این عایق‌ها می‌تونن یه سری ایرادات و تغییر شکل‌ها رو تحمل کنن، میشه توی شرایطی که ممکنه نقص‌هایی به وجود بیاد، تولیدشون کرد و استفاده‌شون کرد. به همین خاطر، این مواد توی زمینه‌های محاسبات کوانتومی، لیزرها و همین‌طور ساخت الکترونیک‌های بهتر خیلی نویدبخش هستن.

رقصیدن، یه راهِ خوب برای آموزش

واسه این‌که این مواد کوانتومی رو زنده کنن، محققا یه صحنه‌ی رقص (یه جور عایق توپولوژیکی) ساختن که توش یه شبکه‌ی نوارهای آبی و قرمز بود. بعدش دو تا قانون واسه رقصشون گذاشتن که به رقصنده‌ها می‌گفت چه‌جوری حرکت کنن. این قوانین بر اساس چیزی بود که توی مکانیک کوانتومی بهش می‌گن هامیلتونی.

الکترون‌ها و قوانین هامیلتونی

الکترون‌ها از قوانین خاصی پیروی می‌کنن که هامیلتونی تعیینشون می‌کنه. هامیلتونی نشون‌دهنده‌ی کلِ انرژی یه سیستم کوانتومی‌ایه که شامل انرژی جنبشی و پتانسیل می‌شه. این هامیلتونی، تعاملات الکترون‌ها رو توی انرژی پتانسیل ماده، رمزگذاری می‌کنه.

رقص الکترون‌ها

هر رقاص (الکترون) یه جفت پرچم داشت و یه شماره هم بهش داده بودن که مربوط به یه حرکت خاص بود:

• 1: پرچمارو با دستایی که به سمت بالا اشاره می‌کنن، تکون بدید.
• 0: بی‌حرکت بایستید.
• -1: پرچمارو با دستایی که به سمت پایین اشاره می‌کنن، تکون بدید.

حرکت‌های بعدی بر اساس کارِ رقصنده‌ی کناری و رنگ نواری که رو زمین بود، انجام می‌شد. یه رقصنده حرکات همسایه‌ای که نوار آبی داشت رو تقلید می‌کرد، ولی برعکس همسایه‌ای که نوار قرمز داشت عمل می‌کرد. اگه یه نفر اشتباه می‌کرد یا از صحنه می‌رفت، رقص کلی خراب نمی‌شد و این نشون‌دهنده‌ی محکم بودن عایق‌های توپولوژیکی بود.

تحقیقات توی آزمایشگاه یوان-ژو

آزمایشگاه یوان-ژو علاوه بر توپولوژی، روی فرآیندهای شیمیایی و فوتونیک هم کار می‌کنه. اونا وقتی به امواج نوری فکر می‌کردن، متوجه شدن حرکت یه گروه از آدما هم مثل یه موج می‌مونه. این ایده باعث شد یوان-ژو از رقص استفاده کنه تا یه موضوع پیچیده مثل عایق‌های توپولوژیکی رو توضیح بده.

انجام دادن این ایده، یه چالش باحال به نظر دو می‌اومد، که الان یه محققِ بعد از دکترا توی دانشگاه شیکاگوه و تو وقت آزادش کلاس سالسا میره. دو که خانواده‌ش تو کار آموزش بودن و به گسترش علم اهمیت می‌ده، می‌گه این پروژه کمک کرد تا علم رو به ساده‌ترین شکل ممکن دربیاره. اون می‌گه: “می‌خواستیم این مفاهیم رو به یه روش غیرمعمول و سرگرم‌کننده توضیح بدیم. امیدواریم دانش‌آموزا تونسته باشن ببینن که علم هم می‌تونه با ربط پیدا کردن به زندگی روزمره، فهمیدنی و لذت‌بخش باشه.”

لیست کامل نویسنده‌ها

نویسنده‌ها شامل متیو دو، خوان بی. پرز-سانچز، خورخه آ. کامپوس-گونزالس-آنگولو، آرغادیپ کُنر، فدریکو ملینی، سیندانا پانیر-سیواجوتی، یانگ روی پو، کای شوئینیکه، کونیانگ سان، استفان ون دن ویلندبرگ، الک بارون و جوئل یوان-ژو (همشون از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو) و دیلن کارزن (مدرسه عالی اورنج گل) هستن. این تحقیق با کمک یه کمک هزینه‌ی CAREER از بنیاد ملی علوم (CHE 1654732) انجام شده.