Главная » Конференц-зал

Физики СПбГУ на острие науки

Участники семинара в Менделеевском центре

Участники семинара в Менделеевском центре

В Петербургском университете состоялся первый в Европе международный семинар по нелинейной фотонике — молодой многообещающей области науки, переживающей сейчас бурное развитие. Среди перспективных практических разработок — сверхбыстрые устройства передачи и обработки информации, маскирующие защитные экраны (почти что «плащ-невидимка»), технологии для медицинской диагностики.

«Не было вопроса — ехать или нет»

На семинар «Нелинейная фотоника: теория, материалы, приложения» съехались ученые из 11 стран мира, в том числе из Великобритании, Германии, Дании, Италии, Франции. Инициатором проекта выступила группа выпускников СПбГУ, работающих в ряде европейских университетов.

— Я предложил идею — небольшой семинар с невысокой регистрационной платой, что привлечет участников из Западной Европы и соберет ведущих ученых в области нелинейной фотоники, — объясняет выпускник СПбГУ Дмитрий Скрябин, профессор университета г. Бат в Великобритании.

Именно желание группы инициативных ученых отдать должное академической традиции своей альма-матер и внести вклад в развитие блестящей оптической школы Петербурга сыграло особую роль в выборе места проведения конференции.

— У нас в Университете активно занимаются этой тематикой, — говорит Виктор Козлов, доцент физического факультета СПбГУ, доктор физико-математических наук. — И мы встретили понимание: нам было предоставлено оборудование, помещение, финансирование — всё в нужном объеме. Приплюсовав грант РФФИ, который мы получили на проведение семинара, и оргвзносы, мы смогли организовать хороший прием нашим гостям.

— У меня не было вопроса, ехать или нет, — говорит Ольга Косарева, доцент МГУ имени М.В.Ломоносова. — Посмотрев программу, я увидела ведущих ученых в нашей области: Юрий Кившарь, Сергей Козлов, Николай Розанов, Дмитрий Скрябин — они первопроходцы, и их имена привлекли отличную команду докладчиков.

Юрия Кившаря, ныне профессора Австралийского национального университета, коллеги называют «несомненным приобретением для Петербурга». Он, один из победителей конкурса так называемых «мегагрантов» по привлечению ведущих мировых ученых в российские вузы, совместно с зав. кафедрой общей физики-1 СПбГУ Игорем Машеком, стал председателем семинара и задал высокий научный уровень мероприятия. Сейчас по «мегагранту» Юрий Кившарь руководит лабораторией «Метаматериалы» в СПбГУ ИТМО.

— Слово «метаматериалы» означает, что мы создаем материалы, обладающие свойствами, каких не существует в природе, основанные на плазмонных и магнитных резонансах. Это принципиально новые структуры, которые требуют отдельного изучения. Поэтому в нашей работе на самом деле много новых и неожиданных направлений, — делится Юрий Кившарь.

Как водится, на пути ученых много не только научных, но и организационных проблем.

— Чиновники, которые отвечают за гранты, совершенно не понимают, как работает наука, — говорит Юрий Кившарь. — Вот простой пример: грант нам дали в ноябре, и до конца года, то есть за неполных два месяца, мы должны были опубликовать две работы. Разве можно успеть сделать нормальные публикации?!

Впрочем, Юрий Кившарь говорит, что «своих ребят воспитывает по-другому». То есть ориентирует их на серьезные публикации в международных научных журналах с высоким импакт-фактором. Без этого невозможно говорить о мировом уровне работы.

— Мы собрали здесь людей, заинтересованных в получении серьезных научных результатов, — поясняет Екатерина Ефремова, член оргкомитета конференции, старший преподаватель СПбГУ. — Мы стараемся, чтобы наши студенты занимались тем, что востребовано.

Что же такое нелинейная фотоника и причем тут плазмоны?

Вопрос, особенно для гуманитария, как я, не праздный. Нелинейная фотоника — область науки, созданная на стыке лазерной физики, классической и нелинейной оптики и классической электродинамики. По большому счету, нелинейная фотоника изучает все аспекты того, что происходит с веществом, когда через него проходит лазерное, а также нелазерное излучение. Нелинейная фотоника позволяет на порядки увеличить скорости обработки и передачи информации, управлять распространением лазерных импульсов и создавать материалы с уникальными оптическими свойствами.

Наиболее обсуждавшимся на семинаре разделом нелинейной фотоники стала плазмоника, изучающая распространение плазмонов. Плазмон — это элементарное возбуждение плазмы, по аналогии с тем как фотон есть элементарное возбуждение электромагнитной волны. Фотоны давно используются для передачи информации, потому что, в отличие от электронов, их применение позволило в десятки тысяч раз увеличить производительность информационных сетей. Однако фотоны, в отличие от электронов, имеющих заряд, нейтральны, поэтому ими трудно манипулировать. К тому же плазмон может быть в сотни раз меньше соответствующей длины волны электромагнитного излучения, что позволяет использовать его для миниатюризации устройств. Таким образом, плазмоника соединяет в себе лучшее из двух миров — фотонов и электронов, объединяя быстродействие световой волны и миниатюрность электронных компонентов. Пока плазмоника — фундаментальная область, хотя ее возможные практические приложения кажутся очень многообещающими.

Утром в науке, вечером в ноутбуке

Ученые подчеркивают: все новое в науке — это результат предыдущих усилий, который строится на хорошей базе.

— То, что мы получаем сейчас, — это результат открытий еще 1960-х годов, когда возникли лазеры — вспомните, в прошлом году мы отмечали полувековой юбилей лазера, — говорит Ольга Косарева. — Нынешнее бурное развитие нелинейной фотоники во многом связано с технологическим развитием: в последнее время стали создавать лазеры с очень короткой длительностью импульсов из нескольких колебаний светового поля и с очень высокой мощностью. Поэтому у ученых появились вопросы и задачи, которые раньше просто не могли возникнуть.

Ольге Косаревой вторит Ильдар Габитов, профессор Аризонского университета:

— Бурный прогресс в области технологии изготовления наноразмерных структур позволил проектировать и создавать объекты исключительно малых размеров. При взаимодействии таких структур, изготовленных из металла с электромагнитным излучением, возникают значительные напряженности электрического поля, что в свою очередь создает предпосылки сильного нелинейного отклика.

Другая причина активизации исследований в этой области — потребность в создании устройств для обработки информации с принципиально более высокой производительностью, чем у микроэлектроники. О необходимости «квантового скачка» в электронике говорят давно: нынешние технологии, использующие кремниевые полупроводники, подошли к физическому пределу.

— Сейчас технологии передачи информации, использующие оптическое волокно, существенно обогнали технологии обработки информации, — констатирует Ильдар Габитов.

Помогла как раз нелинейная фотоника: эффекты на ее основе дают массу новых возможностей для сверхскоростной оптической связи, необходимой на трансконтинентальных и межконтинентальных каналах передачи информации. Многие научные группы работают над этой тематикой; в частности, на семинаре в СПбГУ Сергей Турицын, профессор Астонского университета в Великобритании, выступил с докладом о новых методах коммуникации.

Но как же быть с обработкой информации?

— Дальнейшее развитие возможно именно с применением оптических методов, — уверен Ильдар Габитов. — Фотоны в отличие от электронов электрически нейтральны. Поэтому манипуляция светом — это одна из первоочередных задач, и перспектива ее решения видна в области нанофотоники и наноплазмоники, создании метаматериалов. Соединение наноплазмоники и оптики позволяет конструировать новые материалы с очень необычными свойствами, которые не наблюдаются в природе. Например, в последнее десятилетие были созданы материалы с отрицательным или нулевым показателем преломления. Контроль над показателем преломления открывает новые возможности для манипуляции светом. Новые материалы дают возможность создавать принципиально новые устройства, а также значительно улучшать характеристики существующих инструментов.

Нелинейная фотоника может помочь и на переходном этапе.

— Сейчас обсуждается изготовление чипов, которые смогут эффективно переводить оптические сигналы в компьютеры, работающие на электронах, — добавляет Дмитрий Скрябин.

— В настоящее время уже существуют прототипы приборов, использующих достижения нанофотоники и плазмоники, и можно довольно уверенно говорить о том, что в течение двух лет появятся коммерчески доступные продукты, — говорит Ильдар Габитов.

Лазерный дождь и другие удовольствия

Фотонные кристаллы — упорядоченные структуры из диэлектрических или металло-диэлектрических наночастиц, которые влияют на распространение света аналогично тому, как упорядоченная ионная решетка в полупроводниках влияет на движение электронов. Эффекты, получаемые с помощью фотонных кристаллов, активно изучаются сейчас и тоже могут применяться для решения практических задач.

Самое интригующее применение — маскировка объектов. Профессор Николай Розанов (ГОИ им. С.И.Вавилова и СПбГУ ИТМО) опубликовал статью, доказывающую, что плащ-невидимку создать нельзя. Но эффективные защитные экраны-невидимки — можно. Такие технологии можно было бы использовать для маскировки тех же «Стелсов».

— Нужно заметить, что последние достижения в нелинейной фотонике затрагивают и область, более характерную для ставшей уже классической лазерной физики. Так, в группе Сергея Турицына в Бирмингеме (Великобритания) разрабатывают сверхдлинные лазеры с расстоянием между зеркалами порядка 300 километров. Столь длинные лазеры могут послужить основой для оптоволоконных коммуникаций на межгородские расстояния. При этом сигнал не теряет энергии, тогда как при распространении в обычном волокне сигнал относительно быстро поглощается и рассеивается, — комментирует Виктор Козлов, доцент Петербургского университета.

В оборонных целях может использоваться следующая разработка: терагерцовое излучение (вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами). С его помощью можно проводить зондирование на расстоянии, позволяющем обнаружить пластиковые бомбы. Такие установки пригодились бы, например, в аэропортах.

Перспективным считают ученые и использование мощных и очень коротких по времени лазерных импульсов. Мощность, о которой идет речь, — это тераватт (десять в двенадцатой степени ватт). Для сравнения: мощность обычной лазерной указки — несколько милливатт (один милливат — это десять в минус третьей степени ватт). Длительность такого мощного лазерного импульса — несколько десятков фемтосекунд, то есть примерно десять в минус четырнадцатой степени секунд.

— Когда такой импульс распространяется в атмосфере, его спектр уширяется, перекрывая весь видимый диапазон. Зондирование таким импульсом позволяет получить информацию об удаленном объекте, — говорит Ольга Косарева. — Такая технология может определить и состав облаков: содержат ли они загрязнения.

— Еще с помощью таких импульсов, поскольку они образуют за собой короткоживущий плазменный канал, можно убрать молнию, чтобы обезопасить самолеты, — добавляет Ольга Косарева. — А можно производить дождь и снег. Пока, правда, только в теории, но это интересные разработки, не исключено, что экономически это будет более оправданно, чем использование для таких целей химикатов, которые потом в виде вредных осадков выпадают на землю.

В общем, создается впечатление, что нелинейная фотоника нас охранит, излечит, позволит обмениваться информацией чуть ли не быстрее, чем мы способны ее производить, и даже тучи разведет… лазерами. Нужно только немного подождать…

Лазер в руках молодежи

— Когда мы планировали семинар, принцип был такой: сделать участие для молодых ученых бесплатным. Мы хотели, чтобы молодежь могла представить свои разработки ведущим специалистам и узнать новости от тех, кто работает на острие науки, — объясняет Дмитрий Скрябин.

Молодежная секция в результате получилась обширной: главным образом съехались аспиранты российских и европейских вузов.

— Уровень молодых ученых очень высокий: нелинейной фотоникой занимаются достаточно элитарные группы, и отбор в них строгий, — говорит Артем Иванов, куратор молодежной секции семинара. Для поддержки молодежного участия организаторы семинара совершили нестандартный шаг: он будет продолжаться в on-line режиме в течение всего года, до самой следующей встречи.

Современные информационно-коммуникационные ресурсы могут сослужить хорошую службу для общения между молодежью и уже состоявшимися учеными. Так, ученые берут на себя обязательство поддерживать связь и консультирование всех заинтересованных молодых ученых и специалистов.

Елизавета Благодатова

Фото предоставлены участниками семинара

 

Новости СПбГУ