춤으로 과학을 설명하다

과학은 대중에게 설명하기 어려울 수 있습니다. 사실, 과학의 모든 하위 분야는 다른 분야를 연구하는 다른 과학자에게 설명하기 어려울 수 있습니다. 고등학생에게 이론적 과학 개념을 설명하려면 완전히 새로운 사고방식이 필요합니다.

캘리포니아 대학 샌디에이고 캠퍼스의 연구자들이 에스콘디도의 오렌지 글렌 고등학교에서 고등학생들과 함께 댄스를 벌여 위상 절연체를 설명했을 때 한 일이 바로 이것입니다.

전 대학원생 매튜 두와 UC 샌디에이고 화학 및 생화학과 조엘 유엔저우 부교수가 주도한 이 실험은 Science Advances 에 게재되었습니다.

"저는 그 개념이 간단하다고 생각합니다." 유엔저우가 말했다. "하지만 수학은 훨씬 더 어렵습니다. 우리는 이론 및 실험 물리학과 화학의 이러한 복잡한 아이디어가 처음에 생각했던 것처럼 실제로 이해하기 불가능하지 않다는 것을 보여주고 싶었습니다."

위상 절연체는 상대적으로 새로운 유형의 양자 물질로, 내부에는 절연 특성이 있지만 외부에는 전도성이 있습니다. 남부 캘리포니아의 주식을 사용하려면 위상 절연체가 부리또라면 속은 절연성이고 토르티야는 전도성이 있을 것입니다.

위상 절연체는 어느 정도의 무질서와 변형을 견딜 수 있기 때문에 불완전성이 발생할 수 있는 조건에서 합성하여 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 위상 절연체는 양자 컴퓨팅과 레이저 분야에서 유망하며, 더 효율적인 전자 장치를 만드는 데에도 유망합니다.

이러한 양자 물질을 살아 움직이게 하기 위해 연구자들은 파란색과 빨간색 테이프 조각으로 그리드를 만들어 댄스 플로어(위상적 절연체)를 만들었습니다. 그런 다음 춤을 안무하기 위해 Du는 개별 댄서의 움직임을 지배하는 일련의 규칙을 만들었습니다.

이러한 규칙은 양자 역학에서 해밀토니언으로 알려진 것에 기초합니다. 전자는 해밀토니언이 제공하는 규칙을 따르는데, 해밀토니언은 운동 에너지와 위치 에너지를 포함한 양자 시스템의 총 에너지를 나타냅니다. 해밀토니언은 물질의 위치 에너지에서 전자의 상호 작용을 인코딩합니다.

각 댄서(전자)는 한 쌍의 깃발을 가지고 있었고 동작에 해당하는 번호가 지정되었습니다.

• 1 = 팔을 위로 향하게 하여 깃발을 흔든다
• 0 = 가만히 서있음
• -1 = 팔을 아래로 향한 물결 모양의 깃발

이후의 움직임은 이웃 댄서가 한 일과 바닥에 있는 테이프의 색상에 기반을 두었습니다. 댄서는 파란색 테이프로 이웃을 따라하지만, 빨간 테이프로 이웃을 따라하는 것과는 반대로 합니다. 개별적인 실수나 댄서가 바닥을 떠나도 전체 춤은 방해받지 않아 위상 절연체의 견고함을 보여줍니다.

Yuen-Zhou의 연구실은 위상수학 외에도 화학적 과정과 광자학도 연구하며, 빛의 파동을 생각하면서 사람들의 움직임도 파동과 비슷하다는 것을 깨달았습니다. 이를 통해 Yuen-Zhou는 위상 절연체와 같은 복잡한 주제를 설명하기 위해 춤을 사용한다는 아이디어를 얻었습니다. 이 아이디어를 구현하는 것은 현재 시카고 대학교에서 박사후 연구원으로 재직 중이며 여가 시간에 살사 레슨을 받는 Du에게 즐거운 도전처럼 보였습니다.

교육자 가문에서 태어나 과학적 발전에 헌신하는 두 씨는 이 프로젝트를 통해 과학을 가장 단순한 요소로 요약할 수 있는 능력을 깨닫게 되었다고 말합니다.

"우리는 이러한 개념을 비전통적이고 재밌는 방식으로 신비화 해제하고 싶었습니다."라고 그는 말했습니다. "학생들이 과학을 일상 생활과 연관시키면 이해하기 쉽고 즐겁게 만들 수 있다는 것을 알게 되었으면 좋겠습니다."

전체 저자 목록: Matthew Du, Juan B. Pérez-Sánchez, Jorge A. Campos-Gonzalez-Angulo, Arghadip Koner, Federico Mellini, Sindhana Pannir-Sivajothi, Yong Rui Poh, Kai Schwennicke, Kunyang Sun, Stephan van den Wildenberg, Alec Barron 및 Joel Yuen-Zhou(모두 UC San Diego); 및 Dylan Karzen (오렌지 글렌 고등학교).

본 연구는 미국 국립과학재단 CAREER 연구비(CHE 1654732)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241105114201.htm