Наука о свете: чем занимаются специалисты в области фотоники

«Каждые 4 года в 50 раз увеличивается количество передаваемой информации, 10% всей электроэнергии, которую производит человечество, уходит на поддержку интернета и связи, и эти цифры будут только расти», — рассказывает завкафедрой световых технологий и оптоэлектроники, директор мегафакультета фотоники Университета ИТМО Владислав Бугров. По его словам, чтобы интернет рос и развивался, нужна «кровеносная система» — устройства хранения и передачи информации. Те, которыми мы пользуемся сейчас, далеко не совершенны. Их постоянно необходимо дорабатывать: уменьшать их размеры, при этом и увеличивая скорость передачи данных без потерь.

Начинающим молодым ученым или тем, кто сейчас только стоит перед выбором, предстоит придумать, например, как лучше всего пустить по оптоволокну радиоволны Wi-Fi, создать лазеры, испускающие не пучки фотонов, а один-единственный квант света (это позволит сэкономить электричество) а еще — защитить соединение. «Однофотонные источники — большое дело: с ними на свет появятся однофотонные сети, из которых невозможно украсть информацию так, чтобы вы об этом не узнали. Сейчас источники выпускают в сеть множество фотонов, и если кто-то подключается к вашему каналу, вы только чуть-чуть теряете в его мощности. Если же фотон, несущий сообщение, один, его пропажу нельзя не заметить; однофотонные источники на основе линейных материалов — квантовых нитей, то есть цепочек атомов — позволят построить такие сети, в которых ваше сообщение получит только адресат», — рассказывает Бугров.

«Фотоника и оптоэлектроника — довольно молодые отрасли, и отчасти поэтому на рынке преобладают не огромные старые корпорации, а десятки маленьких и средних компаний, которые создают отдельные компоненты. Ситуация едва ли не уникальная: российский рынок практически контролируется отечественными организациями. Многие студенты и аспиранты уходят в такой бизнес, потому что это очень интересно; там вы и творите, и являетесь авторами, и даже продаете всё сами, но для этого нужно быть высококвалифицированным инженером», — рассказывает Бугров. Речь идет о рынках компонент телекоммуникационных систем и светодиодных систем, датчиков, камер наблюдения; отсутствие стандартов в этой области дает свободу для тех, кто предлагает оригинальные технологические решения.

В мире очень маленьких вещей все иначе, чем в мире больших, к которому мы привыкли. Фотон, который не сдвинет и песчинки здесь, в наномире может быть хоть стрелой подъемного крана, хоть катком, хоть регулировщиком движения. Валентин Миличко занимается как раз нанофотоникой: он собирает из света и светочувствительных частиц инструменты и новые материалы, с которыми, например, можно строить сверхмощные микроскопы: без таких материалов они работать не будут.

«Один из проектов, над которыми я работаю, посвящен оптически активным наночастицам — производным метал-органических каркасов, второй — диэлектрическим наночастицам для визуализации молекулярных процессов и управления ими», — рассказывает Миличко. Недавно ему и коллегам удалось показать, что кремниевые наночастицы могут быть источниками белого света. Еще они способны вдвое-втрое увеличить частоту направленного на них излучения, что делает их отличным материалом для лазеров, а также служить крошечными термометрами. Причем работать в этом качестве наночастицы могут в диапазоне температур от абсолютного нуля до 1600К в расплавленном металле. Такие материалы находят применение от металлургии до клеточной медицины, в химической промышленности и производстве сверхточной оптики. Каждый день коллеги Валентина решают частные вопросы большой науки, число которых не собирается уменьшаться.

Валентин утверждает, что физики-теоретики строги и суровы, а экспериментаторы (а еще биологи и химики) — в основном ребята дружелюбные и деликатные (сам Валентин предпочитает жёсткий характер теоретиков — говорит, что «в мире науки надо уметь кусаться»). Но главным в деле все-таки считает не склад характера, а творческий потенциал. «Нашу работу невозможно расписать по шагам, стандартизировать. Сегодня ты сделал наночастицу для компактных лазеров, как требует от тебя техническое задание, а завтра, если ты сумел выйти за рамки, твоя частица поможет избавиться от раковой опухоли», — говорит молодой учёный.

И снова речь пойдет про очень маленькие вещи, на этот раз — о нанокристаллах. Юрий Бердников рассчитывает свойства не существующих пока ни в природе, ни в лаборатории структур из нескольких атомов (или нескольких десятков атомов). «Представьте, как ведет себя капля воды в океане — и сравните с ее поведением в тонком капилляре; о такой же разнице идет речь, когда мы говорим о нанокристаллах и кристаллах привычных масштабов, крупинках соли или алмазах», — объясняет Бердников.

Когда длина грани кристалла сравнима с длиной волны видимого света, кристаллы обретают очень странные и часто полезные свойства, которые сильно зависят от взаимного расположения атомов в кристалле и его геометрии; они ложатся в основу очень маленьких полупроводниковых приборов — транзисторов светодиодов, лазеров.

Казалось бы, бери и выращивай кристаллы, а потом изучай свойства, но на самом деле, по словам учёного, все происходит в обратном порядке: свойства сначала рассчитывают теоретически, и только потом проверяют предсказания на готовых образцах. Работу Бердникова можно сравнить с работой конструктора самолетов, который раз за разом прогоняет модель через виртуальный тест. Строить сотни самолетов для испытаний слишком дорого и сложно, поэтому разные погодные условия, потоки ветра и даже попадающих в турбины птиц моделируют с помощью специальных программ, и только потом приступают к строительству опытных образцов. Выращивать нанокристаллы — тоже сложное и дорогое занятие; оборудование для него стоит миллионы долларов, на строительство лабораторий уходят годы, поэтому, прежде чем что-то сделать, нужно проверить все на модели. Кроме того, моделирование позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, нужными спектрами поглощения и отражения, которые необходимы для конкретных компонент разных устройств — детекторов, лазеров, светодиодов транзисторов.

К «предсказанию кристаллов» Юрий шел долго: еще в школе заинтересовался точными науками и техникой, а на первых курсах понял, что любит те области физики, в которых есть место статистике и связанной с ней математике. К защите диплома стало понятно, что нужно заниматься электроникой и фотоникой. Потом была французская магистратура, где Юрий познакомился с кучей направлений науки о наноматериалах. Сейчас Юрий занимается большим международным (с участием десяти европейских вузов, в том числе Университета ИТМО) проектом по изучению свойств нанокристаллов.