向高中生解释理论科学概念需要一种全新的思维方式，这正是研究人员在加州埃斯孔迪多的奥兰治格伦高中与学生们共同编排舞蹈时的实践——他们用这种独特的方式诠释了拓扑绝缘体的原理。
这正是加州大学圣地亚哥分校的研究人员与埃斯孔迪多市奥兰治格伦高中的学生们合作编排一场舞蹈，用以解释拓扑绝缘体时所做的事情。
这项由前研究生马修·杜和加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学副教授乔尔·元-周领导的实验，发表在《科学进展》期刊上。
元-周表示："我认为这个概念本身很简单，但其背后的数学原理要复杂得多。我们想展示的是，这些理论和实验物理及化学中的复杂概念，实际上并非人们最初想象的那么难以理解。"
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，而外部则具有导电特性。打个南加州的比方，如果一个拓扑绝缘体是一个墨西哥卷饼，那么馅料是绝缘的，而外面的饼皮则是导电的。
由于拓扑绝缘体能够承受一定程度的无序和形变，它们可以在可能存在瑕疵的条件下被合成和使用。因此，它们在量子计算、激光器以及制造更高效的电子设备领域具有应用前景。
为了让这些量子材料变得生动易懂，研究人员用蓝色和红色的胶带在地面上制作了一个网格，创造了一个"舞池"（即拓扑绝缘体）。然后，为了编排舞蹈，杜制定了一系列规则来指导每个舞者的移动。
这些规则基于量子力学中的哈密顿量。电子遵循由哈密顿量给出的规则，哈密顿量代表一个量子系统的总能量，包括动能和势能。它编码了电子在材料势能中的相互作用。
每位舞者（代表电子）都拿着一对旗子，并被赋予一个对应特定动作的数字：
- 1 = 挥动旗帜，手臂向上指
- 0 = 静止站立
- -1 = 挥动旗帜，手臂向下指
后续动作取决于相邻舞者的动作以及地板上胶带的颜色。舞者会模仿站在蓝色胶带上的相邻者的动作，但会对站在红色胶带上的相邻者做出相反的动作。个别舞者的失误或离场并不会扰乱整体舞蹈，这展示了拓扑绝缘体的鲁棒性。
除了拓扑学，元-周的实验室也研究化学过程和光子学。正是在思考光波的过程中，他们意识到一群人的移动也类似于一种波。这给了元-周灵感，想到可以用舞蹈来解释像拓扑绝缘体这样复杂的主题。对目前是芝加哥大学博士后学者、业余时间学习萨尔萨舞的杜来说，实现这个想法似乎是一个有趣的挑战。
杜来自一个教育工作者家庭，并致力于科学普及。他表示，这个项目让他体会到能够将科学提炼到最简元素的价值。
他说："我们希望以一种非常规且有趣的方式来揭开这些概念的神秘面纱。希望学生们能够看到，通过将科学与日常生活联系起来，它可以变得易于理解且充满乐趣。"
完整作者列表：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 和 Joel Yuen-Zhou（均来自加州大学圣地亚哥分校）；以及 Dylan Karzen（奥兰治格伦高中）。
本研究得到了美国国家科学基金会职业奖（CHE 1654732）的资助。