«Взять и замиксовать свои знания»: интервью с руководителем лаборатории «Фотопроцессы в мезоскопических системах»

В этом выпуске подкаста «ITMO Research_» — Иван Иорш, доктор физико-математических наук, профессор Нового физтеха и руководитель лаборатории «Фотопроцессы в мезоскопических системах» Университета ИТМО. Обсуждаем научную карьеру, профессиональные интересы и темы исследований Ивана.

Аудиозапись интервью: Apple Podcasts · Я.Музыка · Google Podcasts · PodFM

Изображение: Новый физтех Университета ИТМО

@dmitrykabanovВ интервью для ютуб-канала нового физтеха вы говорили, что в какой-то момент решили перейти из ИТ в науку буквально за выходные. Могли бы вы подробнее рассказать, чем занимались в рамках офисной работы и на какие задачи переключились в аспирантуре? С чего начинали свой путь в науке?

Иван: Да, с формальной точки зрения работал в ИТ, но не программистом. Был сотрудником в табачной компании и занимался технической поддержкой, администрированием ИТ-систем, распределенных баз данных, инструментов для учета продаж и закупок, технического контроля за производством.

В аспирантуре — первое время разрабатывал некоммерческий софт для моделирования работы вертикально-излучающих лазеров [vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL]. Они уже достаточно длительное время используются в компьютерах и другой технике, но в данном случае мы занимались определенными нюансами, которые позволяли совершенствовать характеристики таких лазеров. Я помогал экспериментаторам разрабатывать дизайн, который бы давал нужную функциональность по длине волны, ширине полосы и так далее.

Дмитрий: Могли бы вы представить последовательность тем, которыми вы занимались, начиная с того момента и до последнего времени? Можете ли вы сказать, что фокусировались на одной области или такой установки не было?

Иван: И да и нет. Сразу после моделирования лазеров я начал заниматься тем, что называют экситонами. Здесь речь шла о близких системах, полупроводниковых структурах, в которых под действием лазерного излучения возникают электрон-дырочные пары. По свойствам они чем-то напоминают атом водорода, но только вместо протона в них присутствует дырка. Если взять море электронов и вытащить оттуда один, останется положительный заряд. Он ведет себя как отдельная частица или дырка. Она может притягиваться с электроном, который как раз вытащили, и формировать связанную частицу — экситон. Если систему с ним поместить в оптический резонатор, где присутствует стоячая электромагнитная волна [фотон бегает между зеркалами], то экситон начинает с фотоном взаимодействовать и возникают поляритоны. Последние исследуют лет двадцать или тридцать. Для поляритонных жидкостей обнаружили сверхтекучесть, бозе-эйнштейновский конденсат, когда у вас есть много частиц и все они могут, если вы их в достаточной степени охладите, свалиться в одно квантово-механическое состояние.

Ранее думали, что такое явление может быть только в атомах и при очень низких температурах, а с поляритонами оказалось, что его можно наблюдать и при комнатной температуре. Вокруг данной темы в свое время поднялся большой ажиотаж, и я ей занимался в конце обучения в институте и когда поступил в аспирантуру в Великобритании. Она у меня была посвящена как раз различным аспектам поляритонных жидкостей. В целом мне кажется, что молодой научный сотрудник не всегда выбирает, чем заниматься. Судьба так складывается, что ты начинаешь взаимодействовать с определенным научным руководителем, попадаешь в научную лабораторию и работаешь над тем, что тебе предлагают. Та или иная тематика может не понравиться, но мне все нравилось, было интересно.

Где-то с 2012-го — во время завершения аспирантуры — я начал работать в ИТМО по мегагранту Юрия Семёновича Кившаря. Он был посвящен метаматериалам. Тогда эту область активно развивали, а изначально ей дал старт Виктор Георгиевич Веселаго. Как я понимаю, это не была его основная деятельность, однако он написал несколько работ о том, как свет будет распространяться в средах с отрицательным показателем преломления. В то время подобные вещи казались нереалистичной моделью, но в начале 2000-х все-таки удалось получить такие среды — как минимум для микроволнового диапазона частот. Они вели себя так, как будто у них был отрицательный показатель преломления. Это были первые метаматериалы.

С этого момента данная область получила существенное развитие — было множество предсказаний и научных работ. Например, если взять вопрос о том, почему в обычный микроскоп не получается увидеть вирусы или еще более крошечные объекты. Дело в том, что есть дифракционный предел. Различить то, размер чего меньше половины или четверти длины волны света, не выйдет. Однако для метаматериалов предсказали возможность преодолевать дифракционный предел, было несколько экспериментальных реализаций суперлинз или гиперлинз.

Еще — был хайп вокруг темы невидимости. Что-то такое даже показали, но вышло так, что хорошую невидимость можно получить только на одной длине волны. Поэтому тогда речь шла скорее про радар, а не про оптику. Для видимого света фундаментальных ограничений почти нет, но осуществить задумку не представляется возможным и даже нужным, если вы можете сдвинуться по длине волны в инфракрасный или ультрафиолетовый диапазон и эффект недвижимости даже в полностью видимом диапазоне будет утрачен. Когда мы начинали работу, было много непонятного, много вопросов. Однако я получил большое удовольствие от работы в этом направлении и многому научился у старших коллег.

В 2013-м мне предложили позаниматься электромагнитными свойствами низкоразмерных материалов, в частности графена. После того как в 2010-м Новосёлову и Гейму дали Нобелевскую премию за передовые опыты с этим материалом, в первую очередь за электронные свойства, оказалось, что у графена много интересных и полезных электромагнитных свойств, в основном в терагерцовом диапазоне частот. В этой области мне удалось применить знания о метаматериалах. Оказалось, что можно их получать и на основе графена. Тогда мои результаты по этой теме казались мне простыми, но сейчас они у меня наиболее цитируемые. Этим я занимался с 2013-го по 2014-й, а до этого — в 2012-м – я защитил кандидатскую в России, а в 2013-м — еще и получил Ph.D в Великобритании.

Изображение: Университет ИТМО
Изображение: Университет ИТМО

Тогда я понял, что пора становиться независимым ученым. В 2015-м мне стали интересны квантово-оптические процессы в наноструктурах, когда свет, распространяющийся в них уже не является классическим, а представляет собой набор одиночных фотонов. Я решил замиксовать свои знания двумерных материалов и метаматериалов, а потом добавил свой опыт в области экситонов.

И с того момента по сегодняшний день мы занимаемся тем, что относится к другому классу двумерных материалов. Это не графен, а дихалькогениды переходных металлов, которые являются полупроводниками. В них тоже есть экситоны, их можно интегрировать с метаматериалами и поверхностями, получая структуры с нелинейным рассеиванием света, фиксируемым на уровне отдельных фотонов, что добавляет квантовости в эту историю. Этими темами я занимаюсь с 2016-го.

Из других движений в сторону за последние два года — мой интерес к режиму ультрасильной связи. Обычно для того чтобы увидеть изменение свойств системы под действием излучения, нужно на нее им воздействовать. Однако можно поместить систему в оптический резонатор, не светить на нее, а управлять вакуумными флуктуации электромагнитного поля. Помещая материал в такой резонатор, можно менять его свойства. Эта тема мне кажется интересной. Не могу сказать, что с самого начала выбирал данную область. Получилось так, что мой научный руководитель занимался фотоникой, я набирался опыта и занимался смежными областями. Потом уже я смог выбирать то, что мне самому кажется важным и интересным.

Дмитрий: Расскажите, пожалуйста, какие из этих тем помогают развивать коллеги из международной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах, которой вы руководите? Как вы определяете, чем будет заниматься коллектив?

Иван: Мой соруководитель лаборатории — Иван Андреевич Шелых — является одним из классиков в теории поляритонов. Когда я был студентом, читал некоторые из его работ, и это классно, что сейчас у нас есть возможность вместе развивать эту тему в области низкоразмерных материалов и других полупроводниковых структур. У поляритонов достаточно хитрая нелинейная динамика, поэтому у нас есть и специалисты по нелинейной оптике и в целом по нелинейной динамике, волнам. Но в лаборатории присутствует и экспериментальная часть, где коллеги интегрируют двумерные и низкоразмерные материалы с фотонными структурами. Для меня это счастье, когда расчеты можно сразу проверять и реализовывать.

Нашим постдокам я предпочитаю не говорить, что им следует заниматься теми или иными темами. В проектах, финансируемых РНФ и другими фондами, где нужно выполнять определенные задачи, мы, конечно же, договариваемся о том, кто и что будет делать. Но ученые должны обладать свободой в выборе тем. Поэтому я всегда открыт к обсуждению и предпочитаю его, а не директивную выдачу задач.

Дмитрий: Можем ли мы говорить о том, что тема с поиском параметров, которые могли бы помочь в подборе материалов с большим коэффициентом преломления, находится на пересечении теории и практики? Плюс — достаточно близка к индустриальному применению. Например, если те из них, что ранее не учитывали, с вашей помощью найдут применение в лазерах и сенсорах?

Иван: Мне нравится эта работа, хотя для нас она не является магистральной. Наш декан Павел Александрович Белов около трех-четырех лет назад говорил со мной о том, почему в микроволновом диапазоне можно иметь коэффициент преломления пятьдесят или сто, а в оптике максимальное, что ты получишь, — это четыре. Получилось так, что какой-то последовательной теории на этот счет мы не нашли.

То, что мы представили, не является такой теорией, но мы предложили способ автоматизированного поиска новых материалов с большим коэффициентом преломления. Если с помощью нашего подхода получится найти материалы с четверкой или пятеркой в значении этого показателя, он сможет найти применение в создании стекол, оптических систем и много где еще. Как мы обсуждали с индустриальными игроками, такие материалы нужны. Конечно, при наличии неплохих конструкционных свойств, открывающих путь к эффективному производству, чтобы такой материал не крошился и не плавился при комнатной температуре.

Дмитрий: Еще одна тема — с побочным эффектом в виде записи информации, которая переносится фотоном, в квантованное движение атомов. Как вы говорите, здесь речь может идти о чем-то вроде квантовой памяти. Получается, это — шаг в сторону решения проблемы хранения информации в компьютерах нового типа?

Иван: Не уверен, что квантовые компьютеры найдут широкое применение в среднесрочной перспективе. Другое дело — квантовая передача информации и сети. По первой теме работает много талантливых людей, вкладывают огромные средства, но пока сложно сказать, получится ли раскрыть потенциал квантовых компьютеров.

Результаты, которые мы показали, могут быть использованы для квантовой памяти. Но мы не искали ответ на этот вопрос, а работали с фазовыми переходами. Оказалось, что при фазовом переходе можно записывать информацию оптически в механические колебания. Осуществлять неадиабатический фазовый переход и квантовая информация будет храниться в этих механических колебаниях. В теории это работает, но есть множество других вариантов для реализации квантовой памяти. Какие из них будут взяты за основу индустриальными игроками, пока сложно сказать.

Изображение: Новый физтех Университета ИТМО
Изображение: Новый физтех Университета ИТМО

Дмитрий: Если возвращаться к работе лаборатории, кто может присоединиться к вам? Как выглядит этот процесс с точки зрения потенциальных сотрудников?

Иван: Мы всегда готовы принять новых сотрудников. У нас есть вакансии на позиции постдоков. Мы берем аспирантов и студентов, но за последние два года их стало много, что может влиять на то время, которое возможно уделить каждому.

В целом мы открыты, мне можно писать, если есть какие-то задачи. Работу студентов и аспирантов мы оплачиваем. С сотрудникам все аналогично. Мы готовы собеседовать и принимать людей, но сейчас делаем это в своем темпе.

Дмитрий: Допустим, кто-то из наших слушателей или читателей почитает нужным разобраться, что собой представляет передний край тех областей, которыми вы занимаетесь, и которые мы так или иначе затронули в разговоре. Что вы бы порекомендовали им изучить? Например, человеку, который работает в ИТ, но обладает бэкграундом и тягой к прекрасному в этой сфере деятельности.

Иван: Все, что связано с квантов-оптическими коммуникациями. Тем, кто занимается программированием, информационной безопасностью, шифрованием, будет несложно разобраться с квантовым распределением ключа. Сегодня это — работающие системы. По этой теме есть много информации, и для ее изучения не требуется знание квантовой физики, как и для того, чтобы написать программу на Python не нужно знать, как работает условный транзистор с высокой подвижностью электронов. Но если хочется понять, как эта штука работает на уровне железа, стоит почитать про источники одиночных фотонов и статистику излучения.

Если говорить про двумерные материалы, которыми мы занимаемся, сейчас бурно развивается твистроника. Не помню, когда теоретически было предсказано, но буквально несколько лет назад показали, что если взять два листа графена, совместить его соты и повернуть один относительно другого, то в зависимости от угла поворота возникает огромное количество удивительных свойств: сверхпроводимость, сверхтекучесть, магнитные и другие фазы вещества. Все это изучают и в теории и на практике, берут несколько листов графена и так далее.

Дмитрий: Может быть что-то, что вы сами читаете?

Иван: У меня подписка на архив по конденсированному состоянию и по оптике. В день вываливается примерно пятидесят материалов по первому направлению и пятнадцать по второму. Пролистываю их, выбирают интересные и близкие к тому, чем мы занимаемся. К ним возвращаюсь, стараюсь читать внимательнее. Замечу что все-таки разница между научной и научно-популярной литературой слишком сложная. Я люблю читать научно-популярные труды по антропологии, генетике, биологии, но научпоп-литературу по физике не читаю. Иногда она меня раздражает. Причина может быть в том, что существенная ее часть связана с фундаментальной физикой мироздания вроде черных дыр и теории струн [эти темы мне не очень интересны], и меньшая часть — с физикой мира вокруг нас, физикой твердого тела. Поэтому не могу порекомендовать такую литератору. Только вечную классику на все времена — «Характер физических законов» Ричарда Фейнмана.


Другие интервью с нашими ученымив первом сезоне этого подкаста.


Больше исследований и проектов в нашем блоге на Хабре:


Источник 📢