Фотоника. Как повторить зеленую энергетику природы?
В Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН работает и активно развивается лаборатория фотоники молекулярных систем. О возможностях фотоники и о том, чем занимается лаборатория, мы поговорили с заведующим, доктором физико-математических наук Иваном Владимировичем Тимофеевым.
Расскажите о вашей лаборатории.
Лаборатории была создана три года назад, в декабре 2018 года, из групп, входивших ранее в отдел оптики Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН. Мы выросли и продолжаем решать задачи, которые в широком смысле встраиваются в тему научной школы по фотонным кристаллам академика РАН Василия Филипповича Шабанова. Кадры для этой школы готовились, в частности, в СФУ. Стоит отметить, что у декана инженерно-физического факультета Степана Яковлевича Ветрова выросла группа из шести учеников, в том числе и я.
В лаборатории сейчас работает два десятка научных сотрудников, которых объединяет интерес к оптике и фотонике. Столько же студентов проходят у нас практику. Работа идет по всем направлениям: теоретики пишут формулы, компьютеры считают, технологи изготавливают образцы, а экспериментаторы ставят опыты, модернизируют установки. Молодежи помогают опытные коллеги из других подразделений Красноярского научного центра СО РАН и Центра коллективного пользования. Помимо ежедневных рабочих встреч в малых группах, каждую неделю проходят научные семинары. В лаборатории ежегодно защищается по два кандидата наук. Стараемся сохранять заданный темп.
Насколько сложно совмещать собственную научную работу и руководство лабораторией, преподавание?
Приходится заниматься всем сразу, без разделений. Это увлекает, и по традиции понедельник начинается в субботу. Людей здесь объединяет здоровое любопытство к физике, математике, интересным задачам и опытам. Вокруг этого даже возникает свой фольклор — о науке мы поем песни. При этом специальности и ветви науки причудливо переплетаются. Недавно в большой компании пели шуточный гимн физматика «Я глупым был когда-то» на мотив из мультфильма про Чебурашку, и вдруг выяснилось… Много лет назад эти строки сочинили биохимики, в качестве подарка на день физмата. Физики действительно боготворят математику, ценят ее тонкости и строго воспитывают свое научное предчувствие, чтобы в пренебрежении частностями не потерять сути. Даже преподавательский процесс строится на этом с примерами из физики.
Я читаю физикам курс теории вероятности, а она начинается с дискретной математики. Образовательный процесс я строю на своем опыте и иногда использую маленькие хитрости для усвоения материала: например, к зрительным и слуховым ощущениям добавляю осязание. Студенту нужно сдать зачет, но не всегда легко понять, насколько хорошо он или она умеет решать задачи. Когда студент плохо готовится, то начинает «плавать» по закоулкам своей памяти, и тут я даю в руки кубик Рубика. Когда человек начинает его собирать, у него появляется твердая почва под ногами, и вот он уже готов к сложным задачам. После курса тетрадку с лекциями он, возможно, никогда больше не откроет, а кубик Рубика точно запомнит.
Путь сотрудника в лабораторию сложный. Все начинается с аспирантуры. Здесь люди не только занимаются научной работой, но и учатся узким направлениям в своей специальности. Мне очень нравилось, когда несколько лет назад специалисты читали вводные лекции по своим темам для аспирантов Института физики. Рассказать о своём направлении приходили буквально все приглашенные сотрудники института, считая это за честь. Если к преподаванию в университете отношение может быть скептическим — принесет ли пользу потраченное время с учетом уровня мотивации студента. То читать лекции аспирантам — узким специалистам, которые уже выбрали науку, совсем другое дело. Мне бы хотелось, чтобы это направление развивалось.
Положительные результаты дают программы интеграции науки и высшего образования. Большая часть сотрудников моей лаборатории связаны с Институтом инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета. Помимо основной нагрузки, часть сотрудников входят в жюри Краевой олимпиады школьников по физике. Это очень важная роль, мы верим, что для качественного погружения в физику через эту систему стоит пройти. Олимпиада вкус к науке прививает. Олимпиадная изюминка в том, что даже после того, как получен ответ, человек может ещё долго думать над решенной задачкой. Искать другие способы решения, аналогии проводить с другими задачами и через десять лет, отчаянно жестикулируя, самозабвенно пересказывать идею друзьям.
В 21-ом веке олимпиада по физике — это труд. На ней просто так не побеждают. Она требует дополнительных занятий в специализированных кружках, выездных школах, участие в интенсивах. До пандемии в крае эффективно работала Красноярская летняя школа, школа «Перспектива», появилась школа «Ученые будущего». Здесь собирались школьники, заинтересованные в решении задач на уровне Всероссийской олимпиады. Я очень рад, что в текущем учебном году открылась физико-математическая школа-интернат при Сибирском федеральном университете. В школе действует Лаборатория современной оптики и спектроскопии, ребята общаются с профессорами, решают научные задачи с возможностью выступить на конференции, а в перспективе и прийти в лабораторию фотоники молекулярных систем и начать работу в Российской академии наук.
Школа-интернат — это значит, что ребята могут приехать из другого города?
Да. Причём школьники приезжают со всей страны. В интернате эти возможности только увеличиваются, ведь ученые всегда были людьми решительными и мобильными. В моей лаборатории три молодых сотрудника помимо квалификации в физике имеют высшее образование по экономике и юриспруденции. Проходят практику студенты, закончившие школы в Петербурге, Липецке. Другой пример — это гимназия № 13 в Академгородке. Я сам её выпускник. В школе открыты классы Российской академии наук, ученые ведут кружки, читают научно-популярные лекции. Академические институты неформально сотрудничают даже с детским садом «Лесовичок». Ребятишки, которые занимаются в этом садике, — это часто дети ученых. У них есть «научное сообщество» с родителями, где они проводят эксперименты, выступают на «конференции», слушают друг друга и задают вопросы. В «Лесовичке» есть настольные игры, в частности, шашки и шахматы, проходят шашечные турниры. Как ни странно, часто будущие доктора наук начинают свой путь к знаниям, сидя за шахматной доской.
Что же даёт игра в шашки будущим физикам?
Детям шашки дают многое. Партия в шашки — одна минута, затем в шахматы — десять минут, потом можно садиться за электронный конструктор «Знаток», за микроскоп и телескоп, проводить занимательные эксперименты с лазерными указками. В целом я сторонник раннего и устойчивого развития умственных, физических и эстетических качеств человека. И если человек с детства научился усидчивости и основам логики, то ему будет легче учиться и работать потом.
Мы поговорили о людях, а теперь давайте перейдём к экспериментальным установкам в лаборатории.
За три года удалось приобрести два серьёзных спектрометра, на которых можно делать эксперименты и по их итогам публиковать статьи в передовых изданиях. Появилось также два расчётных сервера для модельных задач лаборатории. Настоящей изюминкой нашей лаборатории является лазер, который входит в Центр коллективного пользования КНЦ СО РАН. Этот лазер выдаёт импульс длительностью 10 наносекунд. Это длительность одного такта работы процессора современного компьютера. Главная особенность лазера в том, что он перестраиваемый. То есть длину волны можно плавно изменять на порядок: от длины волны за фиолетовым спектром, который человеческий глаз не различает, до тех длин волн, на которых строится вся коммуникация, весь интернет, большая часть современной фотоники. Информацию на другой конец света переносят не столько электроны, сколько фотоны. Это происходит на инфракрасных, то есть очень длинных волнах, в два раза длиннее, чем может увидеть человеческий глаз. Эти длины волн воспроизводит наш лазер. Если сравнить его с певцом, то диапазон его голоса окажется больше, чем три октавы.
Что стоит за словом «фотоника»?
Фотоника — это наука о фотонах — частицах света. С другой стороны, фотоника — это наука техническая. Она изучает все связанное с солнечным светом, попадающим в человеческий глаз, в приборы, на растения. Занимается искусственными источниками света, начиная от свечки, заканчивая лампочками накаливания и современными светодиодами, экранами, мониторами, лазерами.
В определении фотоники есть две составляющие. Первая — это фундаментальная составляющая. Она восходит к тому, что физика занимается материей. А материя бывает двух типов. Вещество — это элементы таблицы Менделеева, из них собираются молекулы, из молекул — основные материалы. А другой тип — обычно невидимый и неосязаемый — это поле. Лаборатория изучает электромагнитные поля светового диапазона.
Электромагнитное поле — это слишком стремительная, субтильная, тонкая субстанция, чтобы самостоятельно выполнять необходимые человеку действия. В фотонике поле без вещества работать не будет. Обязательно нужна структура, с которой будет взаимодействовать свет. Структура из вещества, излучающая, передающая и принимающая фотоны, — ее называют фотонной структурой — первична и состоит из химических элементов таблицы Менделеева. Если у структуры есть какая-то симметрия, то фотоны тоже принимают эту симметрию. Если закручена винтом, то и свет будет закручен винтом. Такие структуры — элементная база фотоники — это микролазеры, светодиоды, метаматериалы, плоские призмы, линзы, светофильтры, переключаемые заслоны и разветвители, биодатчики.
Куда двигается фотоника и что общего между фотоникой и нанотехнологиями?
Слово нанотехнологии входило в обиход долго. Кто-то до сих пор продолжает относиться к этому недоверчиво. Но большинство понимает, что нанометр — это очень маленькая пространственная протяженность, миллиардная доля метра. Изготовить структуру в масштабе нанометров, это искусство сложнее, чем блоху подковать, это высокие технологии. Несколько мировых центров владеют такими технологиями и продолжают их активно развивать в основном для получения новых материалов, и для современной электроники.
В последнее время по странам мира идет движение в сторону технологий фотоники. В 2018 году в отчете Международного общества оптики и фотоники было сказано, что свыше 10% мировой экономики — это продукция, связанная с фотоникой. Автомобильная промышленность немыслима без световой сигнализации, без восприятия световой информации. Во многом благодаря этим технологиям появились беспилотные «умные» автомобили. Сканеры, лазеры во всех сферах экономики, обработка информации, сортировка и переработка мусора, медицина и экология. Все это связано с фотоникой. В мире огромные средства выделяются на разработки в этих направлениях. Потому что фотоника относится к сквозным технологиям. На юге Китая, где я был в 2019 году, видел, как развивается новая силиконовая долина в Гонконге, в Гуанчжоу и Шеньчжене. В шторке моего смартфона вместо привычного 4G появлялся значок 5G — то есть пятое поколение мобильного интернета. А если мы будем теперь переходить к 6G, то это будут не радиоволны, это технологии близкие к оптике. Чтобы переносить большие плотности информации требуются очень высокие частоты. Мир готовится к переходу на новые технологии в ближайшие десятилетия.
Чем сейчас занимается ваша лаборатория?
Мы разрабатываем новые фотонные структуры и перспективные оптические материалы. Что такое фотонные структуры? Их можно сравнить с антеннами, чувствующими электромагнитное поле. Телевизионные, спутниковые антенны, даже антенны смартфонов видны невооруженным глазом и предназначены для приема волн сопоставимых размеров. Фотонными структурами называют объекты, принимающие световые волны. К сожалению, часто такие структуры имеют микронный размер, их невозможно разглядеть с помощью световых волн, для этого нужны устройства на более жестких видах излучения, например, электронный микроскоп.
Световые волны и пучки важны не только тем, что могут распространяться и переносить информацию, но еще и тем, что могут лежать в основе датчиков. А также на их основе можно получать лазеры микронного размера — источники света для фотонных интегральных схем будущего. Такие источники называются когерентными, потому что колебания света в них согласованы между собой с высокой точностью.
Для лаборатории также важно, из каких оптических материалов создаются структуры. Это могут быть новые материалы: нанокомпозиты, например, витражные цветные стекла, или двумерные материалы, например, графен, или метаповерхности, прозрачные проводящие оксиды, сверхпроводники, мягкая материя и природные материалы. Для их изучения сотрудники занимаются не только оптикой, приходится осваивать квантово-химические расчеты, методы молекулярной динамики, используется континуальная теория жидкокристаллического состояния.
Специфика лаборатории фотонных систем в том, что основные научные результаты здесь связаны со световыми волнами, которые появляются и распространяются на поверхности оптических стекол и новых оптических материалов.
Что такое поверхностные световые волны?
В школе учат, что если луч света падает на поверхность стекла, то часть этого света отражается, а остальная часть преломляется и проходит сквозь стекло. Иногда часть света остается вблизи поверхности стекла. Один из типов поверхностных световых волн — это таммовские оптические волны. Евгений Игоревич Тамм — советский физик, нобелевский лауреат. Он исследовал волны электронов на поверхности полупроводника. Сейчас изучают оптические аналоги этих волн, в которых фотон локализуется на поверхности и может даже перестать распространяться вдоль этой поверхности.
Такие волны могут нести полезный сигнал даже когда поверхность повреждена. Волны огибают царапину и продолжают двигаться в заданном направлении. Этим занимается топологическая фотоника. Недавно в нашей лаборатории эти волны впервые были описаны на языке клеточных автоматов. К тому же мы экспериментально изучаем топологическую акустику. С точки зрения теории колебаний и волн звуковые и световые резонансы описываются аналогично, например, моды шепчущей галереи, связанные состояния в континууме. Последнему виду резонансов посвящен новый инициативный проект в лаборатории, поддержанный Российским научным фондом.
Какие перспективы у фотонных структур, чего можно ожидать?
Я упоминал про шестое поколение мобильной связи. При этом в оптике существуют свои поколения приборной базы. Сейчас говорят о четвертом поколении. Первое поколение оптических приборов — это, грубо говоря, зеркала, в которых главной была форма поверхности. Например, зеркала как правило плоские, но были известны и сферические, и параболические формы отражающих поверхностей. Во втором поколении оптических приборов важным стал показатель преломления, появились призмы, линзы, стали возможными очки, телескопы и микроскопы. В третьем поколении используются поляризаторы света и анизотропия показателя преломления, создающая управляемое двулучепреломление. Это привело к появлению жидкокристаллических дисплеев. Четвертое поколение приборов использует фотонные структуры. Здесь свет ведет себя не как луч, а как волна. Если на компакт-диск наносят дифракционную решетку дорожек с микронной толщиной, порядка длины волны света, то отраженный свет начинает переливаться цветами радуги. Это важно для спектрометров и лазеров, для точных измерений, ведь самые точные измерения — оптические. Четвертое поколение — это еще и голограммы, и плоские микролинзы.
Что делают линзы — фокусируют. Что делают призмы — преломляют свет. Может ли плоское стекло преломить свет? В школе проходят закон Снеллиуса, согласно которому угол преломления на границе двух прозрачных сред строго определен показателями преломления этих сред. И когда из воздуха луч света попадает в плоский слой, а затем из этого плоского слоя опять выходит в воздух, то направление распространения луча остается прежним. Но оказывается, если показатель преломления не одинаковый вдоль границы, то можно закон Снеллиуса обобщить. Для этого используют структуры на масштабе длины волны, это может быть динамическая дифракционная решетка на основе мягкой материи, полимеров, жидких кристаллов. Такая решетка может управляться незначительным электрическим напряжением, порядка одного Вольта, и при этом, например, разворачивать световой луч в пространстве. Этому посвящен инициативный проект лаборатории, поддержанный Российским научным фондом. Это можно использовать в лазерных радарах (лидарах) для беспилотного транспорта.
Насколько безопасен автомобиль, который двигается сам? Насколько точно он измеряет все движущиеся вокруг объекты и дорогу с помощью лидара?
Для красноярцев беспилотные автомобили — самые безопасные просто потому, что сюда они еще не приехали. Хотя в Москве их уже больше сотни. Зато лидары используются в роботах-пылесосах — это тоже довольно безобидные устройства. Что касается точности, то радиоволн часто не хватает. В микроволновой печи или в сотовой связи длина радиоволны составляет 12-16 см. Трудно сделать радиоволну короче. И чтобы, например, парктронику заметить торчащий сук дерева или прут арматуры, нужно их уже по-другому определять. Для этого по характеристикам подходят световые волны. Лазер стал широкодоступной технологией, остается задача — направлять лазерный луч так, чтобы он сканировал все пространство вокруг себя. Обычно для этой цели используются зеркала, то есть механически вращающиеся компоненты. Недавно появились сообщения о технологии беззеркального поворота луча. Мы выписали в лабораторию коммерческий «беззеркальный» лидар для робота-пылесоса — оказалось, в нем на пути луча стоит решетка тонких цилиндрических стекол, вращающихся вдоль своих осей. Это микроэлектромеханический подход. Немеханический поворота луча все еще не реализован. В этом направлении работаем и ожидаем, что от этого повысятся скорость, точность и надежность беспилотных механизмов, а значит и их безопасность.
Очень перспективное направление фотоники — это энергетика. Расскажите подробнее об этом.
Мы знаем, что возобновляемые источники энергии строятся на солнечном свете. На 1 квадратный метр земной поверхности от солнца приходит примерно 10 киловатт энергии. Растения не жадны в потреблении солнечной энергии, они забирают энергию в красной и синей областях света. Большое количество энергии излучается обратно землей в космос. Люди все больше используют солнечные батареи в самых разных сферах, даже размещают на дачных участках. Стоит задача повысить их эффективность.
Кажется, что в Сибири мало солнечного света.
Это не совсем так. Соляризация по Красноярскому краю достаточно высокая. К тому же мы живем на юге Красноярского края, можно сказать, на широте Москвы. В начале 2000-х годов всерьез продумывали, как можно закрыть здесь большие площади солнечными батареями, и даже кремниевый завод начали строить в Железногорске. Но потом это стало экономически не выгодно, потому что Китай начал производить такие детали значительно дешевле. Их солнечные батареи заняли рынок.
В зелёных технологиях есть другое экстравагантное направление. Совсем недавно сотрудниками нашей лаборатории была опубликована статья о расщеплении воды. Об этом подробнее будет написано в отдельном популярном анонсе. Что такое расщепление воды — это водородная зеленая энергетика. В основе лежит простая химическая реакция: водород взаимодействует с кислородом, и в результате получается энергия и чистая вода. Это предельно экологичная реакция. Но сейчас водород производят в основном из природного газа и нефти, только 4-5% водорода получают зелеными методами? Как это происходит? Внешне такое устройство похоже на солнечную батарею, но электроды покрыты фотонной структурой. В красноярском научном центре для этих целей создаются и изучаются многослойные структуры из оксидов алюминия и титана. А между электродами находится вода, которая под действием света, тока и катализаторов расщепляется на кислород и водород.
В 2022 году в нашей лаборатории запущен третий инициативный проект Российского научного фонда, он посвящен фотоэлектрохимическому расщеплению воды. Похожим образом работают и механизмы в процессе фотосинтеза растений. Там тоже в самом начале свет расщепляет воду. Крошечные сгустки света образуются в фотонных структурах, настроенных на единственную длину волны, один определенный цвет. Парадокс заключается в том, что энергетика стремится использовать в одном устройстве сразу весь солнечный свет, все цвета радуги. Природа приходит к этому иначе, для каждой краски она создает свои материалы и свои крошечные фотонные структуры. Более того, на каждом пространственном и временном масштабе у природных процессов есть общее согласие и свои особые качества: на масштабах солнечной системы и атмосферы, кроны дерева и листа, клетки и хлоропласта, оптических антенн из тилакоидных мембран, молекул хлорофилла и пигментов. Физики полагают, что обнаруженные законы мироздания количественно работают даже на масштабах, в миллиарды раз отстоящих от человеческого масштаба метров и секунд. И все же до сих пор не получилось ни измерить, ни повторить зеленую энергетику природы. Вот это загадка!
Пресс-релиз подготовлен группой научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН (http://ksc.krasn.ru/news/)