通过舞蹈阐释科学

这正是加州大学圣地亚哥分校的研究人员在向埃斯康迪多市橙谷高中的学生讲解拓扑绝缘体时所采用的方法——他们编排了一段舞蹈。

这项由前研究生杜马修（Matthew Du）和加州大学圣地亚哥分校化学与生物化学系副教授周云舟（Joel Yuen-Zhou）领导的实验发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。

"我认为这个概念是简单的，"周云舟表示。"但背后的数学要复杂得多。我们想证明，这些理论和实验物理、化学中的复杂概念，其实并不像最初想象的那样难以理解。"

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，但表面却表现出导电特性。用南加州常见的食物打比方：如果拓扑绝缘体是一个墨西哥卷饼，馅料是绝缘体，而包裹的玉米饼则是导体。

由于拓扑绝缘体能够承受一定的无序性和形变，它们可以在可能出现缺陷的条件下被合成和使用。因此，这种材料在量子计算、激光器以及制造更高效率电子设备领域展现出应用前景。

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胶带制作网格，搭建了一个"舞池"（代表拓扑绝缘体）。为了编排舞蹈，杜马修制定了一系列规则来约束每位舞者的移动方式。

这些规则基于量子力学中的哈密顿量（Hamiltonian）。电子遵循哈密顿量给出的规则，该量代表量子系统的总能量（包括动能和势能）。哈密顿量编码了电子在材料势能中的相互作用。

每位舞者（代表电子）手持一对旗帜，并被分配一个对应特定动作的数字：

• 1 = 手臂上举挥动旗帜
• 0 = 保持静止
• -1 = 手臂下摆挥动旗帜

后续动作取决于相邻舞者的行为及地面胶带的颜色。舞者会模仿站在蓝色胶带上的邻居，但会做出与站在红色胶带上邻居相反的动作。个别人的失误或舞者离场并不会破坏整体舞蹈，这体现了拓扑绝缘体的鲁棒性。

除了拓扑学，周云舟实验室还研究化学过程和光子学。正是在思考光波特性时，他们意识到人群的运动同样类似于波。这启发了周云舟用舞蹈解释拓扑绝缘体这类复杂课题的想法。对目前在芝加哥大学从事博士后研究、业余时间学习萨尔萨舞的杜马修而言，实施这个想法像是个有趣的挑战。

出身教育世家的杜马修致力于科学传播，他表示这个项目让自己深刻体会到将科学提炼至最简要素的价值。

"我们希望通过一种新颖有趣的方式揭开这些概念的神秘面纱，"他说道。"希望学生们能由此认识到，通过与日常生活建立联系，科学可以变得通俗易懂且充满乐趣。"

完整作者名单：杜马修（Matthew Du）、胡安·B·佩雷斯-桑切斯（Juan B. Pérez-Sánchez）、豪尔赫·A·坎波斯-冈萨雷斯-安古洛（Jorge A. Campos-Gonzalez-Angulo）、阿尔加迪普·科纳（Arghadip Koner）、费德里科·梅利尼（Federico Mellini）、辛达娜·潘尼尔-西瓦霍蒂（Sindhana Pannir-Sivajothi）、杨锐鹏（Yong Rui Poh，音译）、凯·施文尼克（Kai Schwennicke）、孙坤阳（Kunyang Sun，音译）、斯蒂芬·范登维尔登伯格（Stephan van den Wildenberg）、亚历克·巴伦（Alec Barron）和周云舟（Joel Yuen-Zhou）（以上均来自加州大学圣地亚哥分校）；迪伦·卡岑（Dylan Karzen）（橙谷高中）。

本研究由美国国家科学基金会CAREER基金（CHE 1654732）资助。