Leichter zugänglich als je zuvor: Die Freude der theoretischen Physik

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Der Begriff "theoretische Physik" kann das Bild von Albert Einsteins berühmte Haar, Newtons Apfel zaubern oder vielleicht sogar den fiktiven Transporterraum in Star Trek.

Viel weniger wahrscheinlich um zu kommen, um Geist sind dynamische junge theoretischen Physiker versucht, ein besseres Verständnis von Graphen, die dünnste und stärkste Nanomaterial bekannt. Ebenso überraschend ist die wachsende Zahl von Jugendlichen und College-Studenten, die extrem schwierige Probleme zu untersuchen und veröffentlichen Papiere in Spitzengruppe Physik Zeitschriften basierend auf Forschungen, die Faseroptik voranbringen kann.

Immer Graphen

Yogesh Joglekar, Assistant Professor für Physik an der Indiana University-Purdue University Indianapolis, funktioniert auf Graphen und Lichtwellenleiter, zwei der heißesten Bereiche in der theoretischen Physik und Mentoren eine wachsende Zahl von High School und Studenten in diesen Bereichen.

Unterstützt durch den National Science Foundation CAREER Award, Joglekar wendet Werkzeuge für theoretische Physik – Stift und Papier, Tafel, Marker und einen Computer — um Graphen zu untersuchen, die Entdeckung von denen verdient zwei Forscher den Nobelpreis im Jahr 2010. In naher Zukunft, sagte Graphen, eine Form des Kohlenstoffs, die nur ein Atom dick, ist Silikon in vielen Elektronik ergänzen kann, Joglekar.

Insbesondere untersucht er wie Elektronen und den positiv geladenen Elektronen und Löchern Gegenstücke bilden Paare in Graphen. Diese Paare, genannt Exzitonen, können tragen Strom ohne Widerstand und Laser-wie Licht emittieren.

Betreuung von Studenten

Neben seiner eigenen Forschung Mentoren Joglekar High School und Studenten. Dazu zählen ein 13-Year-Old-Neuling und ein Team von drei High School Juniors, die zu den regional Finals der Siemens-Wettbewerb in Mathematik, Wissenschaft & Technologie auf ihre ersten Streifzug durch Forschung erweitert.

Joglekar engagiert sie und mehrere andere junge Studenten in der theoretischen Forschung, die in erstklassigen Physik Fachzeitschriften wie Physical Review A und physische Überprüfung E, ein Kunststück, das nur selten erreicht, indem Studenten, geschweige denn Schülerinnen und Schüler geführt hat.

"Physik ist nichts anderes als Neugier, Fragen und beantworten von Fragen über das, was um Sie herum," sagte Joglekar. "Gymnasiasten und frühen Undergrads denken oft, dass es spießig oder langweilig oder überhaupt nicht cool, Physik zu studieren. In der Chemie können sie einen Vulkan explodieren oder zusammenbrauen einen Duft. In der Biologie halten sie ein schlagendes Herz, und im Maschinenbau können sie etwas früh bauen. Aber in der theoretischen Physik, bekommt man nicht auf die kühle Sachen im Klassenzimmer bis zum Jahr zwei oder drei, "fügte er hinzu.

Durch Forschung können jedoch unerfahrene Studenten lernen Sie die coolen Sachen früher und kommen mit wichtigen Erkenntnisse.

Teilzeit-Projekte

"Obwohl ich hatte nur ein Jahr der High School Physik musste lernen eine Menge Mathematik on the Fly im Laufe des Sommers, die Arbeit zu tun, es war eine tolle Erfahrung und ich konnte nicht für eine bessere Gelegenheit gefragt haben," Mark Babbey, im zweiten Jahr an Indiana University-Purdue University Indianapolis, der Beginn der Zusammenarbeit mit Joglekar während in der High School und Co-Autor eines der veröffentlichten Studien , sagte. "Arbeiten in einem echten Labor auf einem realen Projekt, das noch nie zuvor versucht hatte mein Interesse geweckt. Dies war kein Lehrbuch Übung, der jeder andere Physikstudent zuvor getan hatte; "das war Forschung."

Babbey fügte hinzu: "Sowohl als Doktorand Derek Scott, wer half mir die Mathematik zu verstehen und meine Arbeit überprüft, und Arzt Joglekar, wer geduldig erklärte mir die Konzepte und wie wichtig es ist, was wir taten, waren große Mentoren."

Natalia Meijome, ein senior plant, einen Doktortitel in den Neurowissenschaften, verfolgen fand zunächst die Idee ziemlich einschüchternd unabhängigen Forschung zu tun, bis ein Klassenkamerad empfohlen sie mit Joglekar sprechen.

"Alle Forschungsideen, die ich im Sinn hatte, waren viel zu weit fortgeschritten für mich zu verfolgen, und er half mir, etwas zu finden, ich nie daran gedacht hatte," sagte sie.

Meijome studiert jetzt Memristors, mikroelektronische Schaltungsteile, die kommerziell entwickelt werden, weil sie das Potenzial für schnellere Verarbeitung mit weniger Strom zu halten.

"Memristive Systeme können halten die Erinnerung an die Vergangenheit und die synaptische Verbindung zwischen den Neuronen im Gehirn zu imitieren", sagte Meijome. "Also, ausgelöst, überraschend, wie es klingen mag, Physik-Forschung mein Interesse in den Neurowissenschaften."

Frühzeitige Einführung

Theoretische Physik-Forschung wurde traditionell als über die Fähigkeit von Physik-Studenten zu Beginn gesehen. Und vielen Bereichen der theoretischen Forschung, einschließlich des Graphen, erfordern High-Level Auszubildenden – Absolventkursteilnehmer oder Postdoc Forscher. Aber mathematische computing-Software mit guter Benutzeroberflächen hell, Computer-versierte High School und Studenten im Grundstudium original forschen im Bereich hilft, sagte Joglekar.

Gute wissenschaftliche Fragen einfallen – diejenigen, die Schüler interessieren und rechenschaftspflichtig sind, wenn sie ein wenig Physik auf dem Buckel haben – ist äußerst schwierig, aber es ist eine Herausforderung, die Joglekar genießt. Es ist auch entscheidend für eine beeindruckende Summe von sechs Publikationen mit hauptsächlich High School oder Bachelor-Student Co-Autoren in den letzten drei Jahren.

Joglekar hat festgestellt, dass gute Fragen Entwicklung treibt seine eigene Forschung, sowie seine Betreuung derjenigen, die neu auf dem Gebiet sind. Letztlich kommt es wieder auf die Neugier, die Forschungsinstitut und die ultimative Auswirkungen dieser Anfrage produziert.

Anmerkung des Herausgebers : Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden unterstützt von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.