Танец сверхпроводимости

Каждый год Американская ассоциация содействия развитию науки, известная как организация, выпускающая журнал Science, проводит необычный конкурс — Dance your PhD. Аспиранты со всего мира пытаются как можно понятнее рассказать о теме своей диссертации с помощью танца. Балеты, спортивные и бальные танцы, мюзиклы и другие хореографические стили и жанры помогают объяснить сложные концепции из области физики, химии, биологии и общественных наук. Сегодня стали известны победители конкурса 2018-2019 года, о которых мы вам и расскажем. (А о победителе прошлого года можно прочитать здесь.)

Главный приз

«Нелокальная электродинамика в сверхпроводниках: приложения к шумам потока и индуктивности»
Прамод Сенарат Япа, Университет Альберты (Канада)

Лучшей с точки зрения хореографии и наиболее понятно излагающей основные идеи диссертации эксперты назвали работу канадского физика Прамода Сенарата Япы. Это целый мюзикл, который объясняет, как в веществе возникает сверхпроводящее состояние и почему магнитные примеси по-разному влияют на разные сверхпроводники.

Сверхпроводимость — это особое состояние некоторых материалов, когда те способны проводить электричество совершенно без потерь, в отличие от обычных медных (или даже серебряных) проводов. Обычно оно наблюдается только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Самое важное отличие сверхпроводимости от обычной проводимости в том, что частицами, которые переносят заряд в сверхпроводниках, выступают куперовские пары электронов.

В обычной ситуации, скажем при комнатной температуре, пара отрицательно заряженных электронов, конечно же, отталкивается и не может образовать устойчивую связь. Можно считать, что все они хаотично движутся поодиночке. Когда к материалу приложена разность потенциалов (подключены «плюс» и «минус» от батарейки), электроны начинают двигаться в одном направлении, возникает обычный электрический ток. Этому посвящено начало мюзикла.

При сильном понижении температуры электроны начинают взаимодействовать друг с другом через атомы кристаллической решетки материала, в которой они двигаются, — так образуются куперовские пары, способные двигаться без рассеяния. Они перемещаются вблизи поверхности материала. Подробно об этом можно почитать в материале «Ниже критической температуры».

Расстояние, на котором находятся электроны в куперовской паре, могут быть разными — от единиц до сотен нанометров. Оно определяется длиной когерентности, о которой рассказывает вторая часть мюзикла. С увеличением этой длины сверхпроводящий ток оказывается глубже под поверхностью материала.

Третья часть мюзикла посвящена тому, как влияют магнитные примеси на течение сверхпроводящего тока. Их роль играют панки, появляющиеся среди танцующих парами электронов. Магнитные примеси бывают разными — от посторонних атомов в кристаллической решетке материала до адсорбированных на поверхность сверхпроводника молекул кислорода. Оказывается, что чем больше длина когерентности, тем сильнее магнитные примеси нарушают течение сверхпроводящего тока. Это замечание очень важно для подбора материалов для сверхпроводящих кубитов квантовых компьютеров.

Оригинальную статью, которую разъясняет танец, можно найти на arxiv.org, она принята к публикации в Physical Review Applied. Интересно, что консультантами при разработке видео выступили в том числе сотрудники D-wave, компании — производителя сверхпроводящих вычислителей для алгоритмов квантового отжига.

Приз в категории «Биология»

«Измерение уровня сознания после серьезных травм мозга с помощью стимуляции мозга»
Оливия Госсери, Университет Льежа (Бельгия)

Состояние комы — это один из видов бессознательных состояний, наступающих в результате травмы или других нарушений. Пациенты в бессознательном состоянии способны лишь на рефлекторные отклики (например, сужение зрачков в ответ на яркий свет). Стадия комы длится от нескольких дней до недель. Затем пациент открывает глаза и переходит в вегетативное состояние — и снова его отклики остаются только рефлекторными. Следующая возможная стадия реабилитации от комы — состояние минимального сознания.

Ключевой параметр, который определяет прогноз для пациента — уровень сознания. Его очень сложно оценить — для этого есть специально разработанные процедуры, например, проверка способен ли пациент откликаться на свое имя, следить глазами за предметами, выполнять указания, говорить. Но, как утверждает научная группа, в которую входит Оливия Госсери, эти методики могут недооценивать уровень сознания почти в половине случаев, а значит, давать негативный прогноз.

С помощью танца ученые показывают, как можно определить уровень сознания с помощью транскраниальной магнитной стимуляции и ЭЭГ. Пациенты с низким уровнем сознания развивают в ответ на стимуляцию в небольшой области мозга простой и локальный отклик, который быстро затухает. Это соответствует движениям танцоров в видео. Высокий уровень сознания соответствует сложному отклику, который распространяется по всему мозгу и длится довольно долго.

Ученые предложили метрику для определения сложности отклика — индекс сложности возмущений — и определили критическую величину, ниже которой пациент признается впавшим в бессознательное состояние. По словам Госсери, некоторые пациенты, для которых классические тесты показывали низкий уровень сознания, обладали высоким индексом сложности возмущений от транскраниальной магнитной стимуляции. Для них восстановление протекало лучше, чем для аналогичных пациентов с низким индексом.

Приз в категории «Химия»

«Перколяционная теория — проводящие пластики»
Шари Финнер, Технологический университет Эйндховена (Нидерланды)

Это видео отчасти напоминает танец сверхпроводимости, победивший в конкурсе в этом году. Здесь снова танцуют электроны, но вместо того, чтобы перемещаться в идеальных условиях сверхпроводника, они оказываются в пластике — материале, чрезвычайно плохо проводящем электрический ток.

Танец посвящен тому, как можно сделать обычный пластик проводящим, не меняя его оптических свойств (например, прозрачности). Для этого химики предлагают добавить в полимер углеродные нанотрубки, которые очень хорошо проводят электрический ток. Хаотически расположенные нанотрубки оказываются рядом друг с другом и образуют проводящую сеть, по которой и текут электроны.

При этом возникает проблема с прозрачностью — сами по себе углеродные нанотрубки черные и непрозрачные, а значит, их добавка может сделать и сам пластик непрозрачным. Поэтому важно определить минимальную концентрацию углеродных нанотрубок, делающую полимер проводящим. Также важно учитывать, что большинство полимеров получают путем протягивания через сопло — экструдер. Из-за этого все нанотрубки укладываются вдоль одного направления, а не хаотично, что уменьшает шансы сформировать проводящую сеть. А если сети нет, то электроны не могут «перепрыгнуть» с одного проводника на другой и проводимость в полимере будет отсутствовать.

Финнер и его коллеги разработали теоретическую модель, позволяющую предсказать, будет ли образовываться проводящая сеть из нанотрубок в зависимости от концентрации добавленного проводника. Среди прочего оказалось, что если добавлять в полимер нанотрубки разных размеров, а не строго одинаковых, то шанс образования проводящей сети выше при той же концентрации углерода.

Приз в категории «Социальные науки»

«Движение как способ обучения базовым концепциям физики»
Рони Зохар, Институт Вейцмана (Израиль)

Победитель в этой категории — танец и танцевальные движения, которые сами по себе являются темой диссертации Рони Зохар. Через физические упражнения педагог предлагает школьникам узнать подробнее о таких состояниях, как устойчивое и неустойчивое равновесие, а также на собственном примере почувствовать центробежное ускорение и связь между угловой и линейной скоростью. Главный принцип, положенный в основу методики, — «сначала опыт, потом его осмысление».

Первая часть видео показывает, как школьники с помощью танцевальных движений исследуют состояние устойчивого равновесия, знакомятся с понятием опоры и центра масс. Затем, экспериментируя с положением своего тела, ученики выясняют условие механического равновесия — центр масс тела находится над плоскостью опоры.

Вторая часть рассказывает про то, как школьники пытаются выполнить задание учителя — выстроиться в прямую линию и, не искривляя ее, обойти по кругу точку (бутылку воды), поставленную с одного из концов шеренги. Тем, кто стоит дальше от оси вращения, приходится бежать, чтобы сохранить линию прямой, а тем, кто стоит прямо рядом с осью, необходимо двигаться очень медленно, чтобы их одноклассники успели пробежать соответствующее расстояние.

Владимир Королёв