Танець надпровідності

Щороку Американська асоціація сприяння розвитку науки, відома як організація, що випускає журнал, проводить незвичайний конкурс - Dance your PhD. Аспіранти з усього світу намагаються якомога зрозуміліше розповісти про тему своєї дисертації за допомогою танцю. Балети, спортивні та бальні танці, мюзикли та інші хореографічні стилі та жанри допомагають пояснити складні концепції з галузі фізики, хімії, біології та суспільних наук. Сьогодні стали відомі переможці конкурсу 2018-2019 року, про які ми вам і розповімо. (А про переможця минулого року можна прочитати тут.)

Головний приз

"Нелокальна електродинаміка в надпровідниках: додатки до шумів потоку та індуктивності "

Найкращою з точки зору хореографії та такою, що найбільш зрозуміло викладає основні ідеї дисертації, експерти назвали роботу канадського фізика Прамода Сенарата Япи. Це цілий мюзикл, який пояснює, як у речовині виникає надпровідний стан і чому магнітні домішки по-різному впливають на різні надпровідники.

Надпровідність - це особливий стан деяких матеріалів, коли ті здатні проводити електрику абсолютно без втрат, на відміну від звичайних мідних (або навіть срібних) проводів. Зазвичай воно спостерігається тільки при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля. Найважливіша відмінність надпровідності від звичайної провідності в тому, що частинками, які переносять заряд у надпровідниках, виступають куперівські пари електронів.

У звичайній ситуації, скажімо при кімнатній температурі, пара негативно заряджених електронів, звичайно ж, відштовхується і не може утворити стійкий зв'язок. Можна вважати, що всі вони хаотично рухаються поодинці. Коли до матеріалу додано різність потенціалів (підключені «плюс» і «мінус» від батарейки), електрони починають рухатися в одному напрямку, виникає звичайний електричний струм. Цьому присвячено початок мюзиклу.

При сильному зниженні температури електрони починають взаємодіяти один з одним через атоми кристалічної решітки матеріалу, в якій вони рухаються, - так утворюються куперівські пари, здатні рухатися без розсіювання. Вони переміщуються поблизу поверхні матеріалу. Детально про це можна почитати в матеріалі «Нижче критичної температури».

Відстань, на якій знаходяться електрони в куперівській парі, можуть бути різними - від одиниць до сотень нанометрів. Воно визначається довжиною когерентності, про яку розповідає друга частина мюзиклу. Зі збільшенням цієї довжини надпровідний струм виявляється глибше під поверхнею матеріалу.

Третя частина мюзиклу присвячена тому, як впливають магнітні домішки на перебіг надпровідного струму. Їх роль відіграють панки, що з'являються серед танцюючих парами електронів. Магнітні домішки бувають різними - від сторонніх атомів у кристалічній решітці матеріалу до адсорбованих на поверхню надпровідника молекул кисню. Виявляється, що чим більше довжина когерентності, тим сильніше магнітні домішки порушують перебіг надпровідного струму. Це зауваження дуже важливе для підбору матеріалів для надпровідних кубітів квантових комп'ютерів.

Оригінальну статтю, яку роз'яснює танець, можна знайти на arxiv.org, вона прийнята до публікації в. Цікаво, що консультантами при розробці відео виступили в тому числі співробітники D-wave, компанії - виробника надпровідних обчислювачів для алгоритмів квантового відпалу.

Приз у категорії «Біологія»

«Вимірювання рівня свідомості після серйозних травм мозку за допомогою стимуляції мозку»

Стан коми - це один з видів несвідомих станів, що наступають в результаті травми або інших порушень. Пацієнти в несвідомому стані здатні лише на рефлекторні відгуки (наприклад, звуження зіниць у відповідь на яскраве світло). Стадія коми триває від декількох днів до тижнів. Потім пацієнт відкриває очі і переходить у вегетативний стан - і знову його відгуки залишаються тільки рефлекторними. Наступна можлива стадія реабілітації від коми -.

Ключовий параметр, який визначає прогноз для пацієнта - рівень свідомості. Його дуже складно оцінити - для цього є спеціально розроблені процедури, наприклад, перевірка чи здатний пацієнт відгукуватися на своє ім'я, стежити очима за предметами, виконувати вказівки, говорити. Але, як стверджує наукова група, в яку входить Олівія Госсері, ці методики можуть недооцінювати рівень свідомості майже в половині випадків, а значить, давати негативний прогноз.

За допомогою танцю вчені показують, як можна визначити рівень свідомості за допомогою транскраніальної магнітної стимуляції та ЕЕГ. Пацієнти з низьким рівнем свідомості розвивають у відповідь на стимуляцію в невеликій області мозку простий і локальний відгук, який швидко загасає. Це відповідає рухам танцюристів у відео. Високий рівень свідомості відповідає складному відгуку, який поширюється по всьому мозку і триває досить довго.

Вчені запропонували метрику для визначення складності відгуку - індекс складності обурень - і визначили критичну величину, нижче якої пацієнт визнається непритомним. За словами Госсері, деякі пацієнти, для яких класичні тести показували низький рівень свідомості, мали високий індекс складності обурень від транскраніальної магнітної стимуляції. Для них відновлення протікало краще, ніж для аналогічних пацієнтів з низьким індексом.

Приз у категорії «Хімія»

«Перколяційна теорія - провідні пластики»

Це відео частково нагадує танець надпровідності, який переміг у конкурсі цього року. Тут знову танцюють електрони, але замість того, щоб переміщатися в ідеальних умовах надпровідника, вони опиняються в пластиці - матеріалі, що надзвичайно погано проводить електричний струм.

Танець присвячений тому, як можна зробити звичайний пластик провідним, не змінюючи його оптичних властивостей (наприклад, прозорості). Для цього хіміки пропонують додати в полімер вуглецеві нанотрубки, які дуже добре проводять електричний струм. Хаотично розташовані нанотрубки опиняються поруч один з одним і утворюють провідну мережу, якою і течуть електрони.

При цьому виникає проблема з прозорістю - самі по собі вуглецеві нанотрубки чорні і непрозорі, а значить, їх добавка може зробити і сам пластик непрозорим. Тому важливо визначити мінімальну концентрацію вуглецевих нанотрубок, що робить полімер провідним. Також важливо враховувати, що більшість полімерів отримують шляхом протягування через сопло - екструдер. Через це всі нанотрубки укладаються вздовж одного напрямку, а не хаотично, що зменшує шанси сформувати провідну мережу. А якщо мережі немає, то електрони не можуть «перестрибнути» з одного провідника на інший і провідність у полімері буде відсутня.

Фіннер і його колеги розробили теоретичну модель, що дозволяє передбачити, чи буде утворюватися провідна мережа з нанотрубок залежно від концентрації доданого провідника. Серед іншого виявилося, що якщо додавати в полімер нанотрубки різних розмірів, а не строго однакових, то шанс утворення провідної мережі вище при тій же концентрації вуглецю.

Приз у категорії «Соціальні науки»

«Рух як спосіб навчання базовим концепціям фізики»

Переможець у цій категорії - танець і танцювальні рухи, які самі по собі є темою дисертації Роні Зохар. Через фізичні вправи педагог пропонує школярам дізнатися детальніше про такі стани, як стійка і нестійка рівновага, а також на власному прикладі відчути відцентрове прискорення і зв'язок між кутовою і лінійною швидкістю. Головний принцип, покладений в основу методики, - «спочатку досвід, потім його осмислення».

Перша частина відео показує, як школярі за допомогою танцювальних рухів досліджують стан стійкої рівноваги, знайомляться з поняттям опори та центру мас. Потім, експериментуючи з положенням свого тіла, учні з'ясовують умову механічної рівноваги - центр мас тіла знаходиться над площиною опори.

Друга частина розповідає про те, як школярі намагаються виконати завдання вчителя - вишикуватися в пряму лінію і, не викривляючи її, обійти по колу крапку (пляшку води), поставлену з одного з кінців шеренги. Тим, хто стоїть далі від осі обертання, доводиться бігти, щоб зберегти лінію прямої, а тим, хто стоїть прямо поруч з віссю, необхідно рухатися дуже повільно, щоб їхні однокласники встигли пробігти відповідну відстань.