La ciencia puede ser difícil de explicar al público. De hecho, cualquier subcampo de la ciencia puede resultar difícil de explicar a otro científico que estudie en un campo diferente. Explicar conceptos científicos teóricos a estudiantes de secundaria requiere una forma de pensar completamente nueva.
Eso es exactamente lo que hicieron investigadores de la Universidad de California en San Diego cuando organizaron un baile con estudiantes de secundaria en Orange Glen High School en Escondido como una forma de explicar los aislantes topológicos.
Se publicó el experimento, dirigido por el ex estudiante de posgrado Matthew Du y el profesor asociado de química y bioquímica de UC San Diego, Joel Yuen Zhou. Avances en la ciencia.
“Creo que el concepto es simple”, dijo Yuen Zhou. “Pero las matemáticas son muy difíciles. Queríamos demostrar que estas ideas complejas de la física y la química teóricas y experimentales en realidad no son tan imposibles de entender como se podría pensar inicialmente”.
Un aislante topológico es un tipo relativamente nuevo de material cuántico que tiene propiedades aislantes en el interior, pero propiedades conductoras en el exterior. Para utilizar un alimento básico del sur de California, si el aislante topológico fuera un burrito, el relleno sería aislante y la tortilla conductora.
Debido a que los aisladores topológicos pueden tolerar cierta distorsión y deformación, pueden sintetizarse y usarse en situaciones donde pueden ocurrir defectos. Por esta razón, son prometedores en los campos de la computación cuántica y los láseres, y en la construcción de dispositivos electrónicos más eficientes.
Para dar vida a estos materiales cuánticos, los investigadores crearon una pista de baile (aislante topológico) creando una cuadrícula con trozos de cinta azul y roja. Luego, para coreografiar el baile, Du creó una serie de reglas que dictaban cómo se movían los bailarines individuales.
Estos principios se basan en lo que en mecánica cuántica se llama hamiltoniano. Los electrones obedecen las reglas dadas del Hamiltoniano, que representa la energía total de un sistema cuántico, incluida la energía cinética y potencial. El hamiltoniano codifica la interacción de los electrones en la energía potencial del material.
Cada bailarín (electrón) tenía un par de banderas y se le asignaba un número que correspondía a un movimiento:
- 1 = Ondeando banderas con los brazos apuntando hacia arriba
- 0 = quedarse quieto
- -1 = Bandera ondeando con los brazos apuntando hacia abajo.
Los movimientos posteriores fueron realizados por un bailarín vecino y se basaron en el color de la cinta en el suelo. Un bailarín imitará a un vecino con cinta azul, pero hará lo contrario que un vecino con cinta roja. Los errores individuales o los bailarines que abandonaban la pista no interrumpieron la danza en general, lo que demuestra la solidez de los aislantes topológicos.
Además de la topología, el laboratorio de Yuen-Zhou también estudia procesos químicos y fotónica, y al pensar en las ondas de luz se le ocurrió que el movimiento de un grupo de personas se parece a una onda. Esto le dio a Yuen-Zhou la idea de utilizar la danza para explicar un tema complejo como los aislantes topológicos. Hacer realidad la idea parecía un desafío divertido para Du, quien actualmente es investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago y toma lecciones de salsa en su tiempo libre.
Dow, que proviene de una familia de profesores y está comprometido con la divulgación científica, dice que el proyecto le hizo apreciar la capacidad de destilar la ciencia a sus elementos más simples.
“Queríamos desacreditar estos conceptos de una manera no convencional y divertida”, dijo. “Con suerte, los estudiantes pudieron ver que la ciencia se puede hacer comprensible y divertida conectándola con la vida cotidiana”.
Lista completa de autores: Matthew Du, Juan B. Pérez-Sánchez, Jorge A. Campos-Gonzalez-Angulo, Arghadip Koner, Federico Melini, Sindhana Pannir-Sivajothi, Yong Rui Poh, Kai Schwennicke, Kunyang Sun, Stephan Wildenberg, Kunyang Sun Alec Barron y Joel Yuen Zhou (todos UC San Diego); y Dylan Curzon (Escuela secundaria Orange Glen).
Esta investigación fue apoyada por una subvención CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias (CHE 1654732).
