Наука как способ проводить новые знания в жизнь

21.11.2024

Об уникальности Лазера на свободных электронах (ЛСЭ), установке, которая была разработана и создана в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) для проведения исследований в области терагерцового излучения, Владислав Ванда узнал от своего друга по университету. Поэтому, когда на втором курсе студенту физфака НГУ нужно было выбирать кафедру, Владислав руководствовался уже сложившимися интересами. Сейчас молодой специалист учится на первом курсе магистратуры НГУ, а его научная деятельность в ИЯФ СО РАН посвящена плазмонной интерферометрии. В интервью Владислав рассказал о том, зачем он изучает терагерцовый диапазон, как может измениться электроника благодаря использованию поверхностных электромагнитных волн, и как наука защищает от рутины.

– Расскажи, пожалуйста, почему ты решил пойти на физфак НГУ?

–  Я учился в краснообском лицее в физико-математическом классе, и у нас помимо увеличенного количества занятий по физике и математике были еще и спецкурсы по этим предметам – их вели в том числе преподаватели с мехмата и физфака НГУ. На одном из таких спецкурсов готовили к Сибирскому турниру юных физиков, который потом проходит в главном корпусе НГУ. В общем, большая часть школьной жизни у меня была связана с Академгородком и университетом: олимпиады, курсы, турниры, конференции, экскурсии и летние лагеря. Поэтому, когда пришло время поступать, мой выбор пал на физфак Новосибирского государственного университета, хотя я рассматривал и другие вузы. В копилку НГУ было и то, что я знал, что он окружен десятками ведущих научно-исследовательских институтов.

Старший лаборант ИЯФ СО РАН Владислав Ванда и плазмонный интерферометр. Фото Т. Морозовой. 

–  Был ли у тебя любимый предмет в университете или, наоборот, такой, что трудно давался?

–  Для меня любовь к предмету чаще бывает связана с тем, насколько нравился семинарист, а уж о каком разделе физики или математики рассказывают было уже не так важно. Запомнились семинары Игоря Романовича Спицына по физике сплошных сред и лекции по функциональному анализу Виктора Алексеевича Александрова. Оба этих предмета очень важны в моей нынешней работе. А вот сложно мне было с квантовой механикой, потому что у нее свои правила и не всегда они соответствуют здравому смыслу. Безусловно меня, как и многих, вдохновляют преподаватели, которые искренне любят то, чем занимаются. Если в твоем окружении нет людей с горящими глазами, то ты быстро потухнешь сам и, скорее всего, поменяешь место учебы или работы. Думаю, что главное в преподавании – уметь структурировать материал, тогда и в голове у студентов будет порядок.

–  Бытует мнение, что среди студентов физфака популярна кафедра физики элементарных частиц, а вот ты выбрал кафедру квантовой оптики. Расскажи, пожалуйста, чем руководствовался при выборе научного направления?

– Мне понравилась тема курсовой, которая выполнялась в лаборатории 8.1 на Лазере на свободных электронах, а тут мне еще и друг рассказал, что ЛСЭ – это уникальная установка, и надо идти. Так что кафедру квантовой оптики я выбрал из-за интереса к лаборатории и ее установке. Конечно, я не сразу понял, какие возможности предоставляет Новосибирский ЛСЭ, какие горизонты в области терагерцового диапазона он открывает, но за четыре года работы немного разобрался.

Терагерцовый диапазон находится между микроволновым и инфракрасным. Долгое время он был мало исследован, поскольку является пограничным для электроники и оптики, и назывался дальним инфракрасным. Сложно было создать хороший источник такого излучения, хороший детектор и найти подходящие материалы для всего этого. Однако данный диапазон был весьма интересным, и наконец специалистам ИЯФ СО РАН удалось создать не просто источник терагерцового излучения – новосибирский ЛСЭ по спектральной мощности на несколько порядков превосходит все существующие источники. Именно это и позволяет проводить эксперименты с применением терагерцового излучения, не имеющие аналогов в мире.

Приложений для ТГц частот действительно много. Терагерцовые волны используются в медицине для диагностики офтальмологических и онкологических заболеваний, в астрофизике – для создания терагерцовых телескопов, и даже в таких бытовых вещах, как системы сканирования багажа. Есть еще одно актуальное приложение – сфера телекоммуникаций, где сейчас происходит переход от гигагерцового диапазона, то есть привычных электронных микросхем, к терагерцам и поверхностным волнам.

– На конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН ты представлял результаты исследования оптических характеристик металлических поверхностей методом терагерцевой плазмонной интерферометрии. Расскажи, пожалуйста, подробнее о проделанной работе? Чем конкретно ты занимаешься в лаборатории, и какая глобальная научная задача перед тобой стоит?

– Когда мы говорим об усовершенствовании электронных устройств, в первую очередь речь идет о повышении частоты передачи сигнала, а также их компактности. Современные электронные компоненты работают в ГГц-диапазоне и ограничены его параметрами – средний объем передачи и скорость обработки данных в этом микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0.5 до 100 Гбит в секунду. Чтобы перейти на беспроводную связь поколения 6G, нужно осваивать ТГц-диапазон – скорость передачи данных в этом диапазоне может увеличиться до 1 Тбит/с. Для создания планарных плазмонных компонентов в ТГц-диапазоне можно использовать поверхностные плазмон-поляритоны.

Поверхностный плазмон-поляритон – это вид электромагнитной волны, распространяющейся вдоль границы двух сред (обычно проводника и диэлектрика), экспоненциально затухающей при удалении от границы. Плазмон – это колебания электронов, поляритон – это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон – это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов (электронов или ионов), который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль нее. Плотно прилегая к поверхности проводника, такая волна на очень небольшую глубину (порядка десятка нанометров) проникает в материал, поэтому свойства плазмон-поляритонов, а значит энергоэффективность плазмонных схем и качество передаваемой с их помощью информации, сильно зависит от оптических свойств приповерхностного слоя материала и его покрытий.

Вот для изучения оптических характеристик металлических поверхностей в нашей лаборатории и был создан плазмонный интерферометр. В основе данного устройства лежит классическая схема интерферометра Майкельсона, в котором распространяются привычные нам объемные электромагнитные волны, только в нашем распространяются поверхностные плазмон-поляритоны вдоль исследуемого образца. С помощью этой установки мы можем измерять длину волны и длину пробега поверхностного плазмон-поляритона, а решая так называемую обратную задачу, определять комплексную диэлектрическую проницаемость металла, по которому волна распространялась. И вот действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости – это основные оптические характеристики того или иного материала, которые нам необходимо знать, чтобы в дальнейшем можно было создавать современные интегральные схемы.

Владислав Ванда. Фото Т. Морозовой. 

Переходя к моей части работ, стоит сказать, что в случае распространения поверхностного плазмон-поляритона электромагнитная волна в основном взаимодействует с поверхностными слоями материалов. Однако любая поверхность неидеальна, то есть обладает некоторой шероховатостью, например, золото образует зернистую структуру. В этом случае на границе находится не сплошной однородный материал, а некоторая сложная среда из металла и диэлектрика, которую нам нужно теоретически описать. Изучению влияния шероховатости на характеристики плазмон-поляритонов и разработке теоретической модели была посвящена моя работа. Сейчас я занимаюсь ее доработкой, так как пока что наши исследования показывают, что не для всех образцов теоретические расчеты и результаты эксперимента сходятся. По-видимому, есть неучтенные эффекты, с которыми нужно разобраться и включить их в модель, чтобы можно было полноценно ее использовать.

Как итог всех работ по этому направлению мы с коллегами должны получить готовый компактный прибор, в который можно будет положить образец и получить не только характеристики поверхностной волны, но и параметры образца, например, его шероховатость. 

– Помимо призового места на КМУ ты стал лауреатом стипендии им. С.Т. Беляева. Скажи, пожалуйста, что ты знаешь о вкладе в науку и образование Спартака Беляева, и есть ли у тебя кумиры в науке?

– Спартак Беляев работал в лаборатории под руководством Герша Ицковича Будкера. Совместно они вывели кинетическое уравнение для релятивистской плазмы в сильных полях. Кроме того, он опубликовал важные работы по неидеальному бозе-газу и в области ядерной физики. Затем он переехал в Академгородок, возглавив теоретический отдел ИЯФ. Ну, и, конечно же, он был долгое время ректором НГУ, с 1965 по 1978 г.

Меня поражает биография Стивена Хокинга. Если человек в таком состоянии смог стать ученым такого уровня, то для нас уж точно не должно быть никаких препятствий. Ему принадлежит одна из моих любимых цитат: «Если вы чувствуете, что попали в черную дыру, не сдавайтесь. Выход есть». Кроме того, он внес огромный вклад в популяризацию науки. А у популярной науки есть очень важная задача – привлечение школьников, то есть наших будущих коллег.

– А что тебя привлекает в науке? Ученый – это профессия или стиль жизни?

– Думаю, что ученый – это творческая профессия. В науке тебя ничто не ограничивает, полная свобода творчества, никаких инструкций, но при этом ученый должен обладать измеримыми навыками, уметь решать определенные задачи, например, полезно уметь программировать, знать английский язык или уметь строить чертежи в САПР. И все же, чаще приходится решать задачи, которые до тебя еще никто не решал, придумывать гипотезы, подтверждать или опровергать их, и, как итог, проводить новые знания в жизнь. В науке никогда нельзя сказать наверняка, удастся ли эксперимент, будет ли получен тот результат, который ожидался. Зачастую именно неожиданный результат и становится открытием. Если подходить более философски, то наука – это нежелание жить рутинно. Ученые постоянно занимаются чем-то разным: ездят на конференции, преподают, проводят эксперименты, модернизируют установку, пишут статьи, сотрудничают с другими учеными по всему миру, изучают литературу. Перечислять можно бесконечно.

Подготовила Татьяна Морозова

• Вперед