Сотрудник ИФМ РАН стал победителем конкурса фонда «БАЗИС»
Фонд развития теоретической физики и математики «БАЗИС» подвел итоги ежегодного грантового конкурса, направленного на поддержку ученых, проводящих исследования в области фундаментальной физики.
Одним из победителей в номинации Junior Leader стал Сергей Миронов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела сверхпроводимости Института физики микроструктур РАН. Он рассказал, почему важно и интересно изучать сверхпроводники, как они помогут развивать вычислительные мощности и какие есть планы на дальнейшие исследования.
Расскажите, пожалуйста, что Вы исследуете? Почему Вас заинтересовала именно эта тема?
В течение последних двух лет я преимущественно занимаюсь теоретическим изучением фотогальванических явлений в сверхпроводниках, которые заключаются в возникновении бездиссипативного электрического тока под действием электромагнитного излучения. Так, например, циркулярно поляризованная волна может индуцировать замкнутые токи, текущие по краю образца, и, тем самым, приводить к генерации не зависящего от времени магнитного момента (это так называемый обратный эффект Фарадея). Другим примером является эффект фотонного увлечения электронов, при котором электромагнитная волна, падающая под наклоном на поверхность образца, вызывает в нём постоянный ток, текущий вдоль проекции волнового вектора волны на эту поверхность. Несмотря на то, что эти явления хорошо известны в магнитных материалах, полупроводниках и нормальных металлах, они остаются практически неизученными в сверхпроводниках. При этом сверхпроводники очень сильно отличаются от остальных материалов: их электрическое сопротивление равно нулю, а магнитное поле может проникать в них в виде топологически защищенных квантованных объектов – магнитных вихрей. Всё это делает изучение механизмов оптического управления током и магнитными состояниями в сверхпроводниках особенно интересным как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения возможных практических приложений.
На решение какой проблемы направлено Ваше исследование?
Вообще, если глобально посмотреть на эту тематику исследований, то она тесно связана с проблемой производительности вычислительных устройств. Всем хотелось бы иметь устройства с как можно более высокой тактовой частотой, но при этом с низкой мощностью выделяемого тепла. В этом смысле сверхпроводники обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными полупроводниками. Во-первых, из-за нулевого сопротивления сверхпроводников тепловые потери в них отсутствуют. А во-вторых, изменение состояния сверхпроводящих электронов может происходить на частотах терагерцового диапазона без разрушения сверхпроводимости. Это гипотетически может позволить увеличить тактовую частоту вычислений с текущего уровня в несколько гигагерц до нескольких терагерц. При этом для создания вычислительных устройств на основе сверхпроводников требуется заново изобрести все элементы управления током и магнитными состояниями, то есть разработать сверхпроводящие аналоги транзистора, ячеек магнитной памяти и т.д. Все эти элементы должны быть сверхбыстрыми и энергоэффективными. В этом смысле, оптические механизмы генерации токов и магнитных состояний в сверхпроводниках, изучением которых занимается наша группа, могут в перспективе позволить решить проблему разработки подобных элементов. Но пока мы занимаемся фундаментальными исследованиями – даже на этом этапе остается много загадок и интересных вопросов, мы в самом начале пути.
Как давно развивается тематика Ваших исследований в ИФМ РАН?
В целом, изучение взаимодействия электромагнитного излучения со сверхпроводящими системами является одной из традиционных тематик отдела сверхпроводимости в ИФМ РАН. В частности, у нас ведутся работы по разработке оптических методов диагностики сверхпроводящего состояния, исследованию взаимодействия излучения с массивами джозефсоновских контактов, теоретическое изучение физических механизмов, лежащих в основе сверхчувствительных сверхпроводящих приемников электромагнитного излучения. Что же касается фотогальванических явлений, еще в 80-х годах И. Д. Токман, Г. М. Генкин и Ю. Н. Ноздрин теоретически и экспериментально изучали явление фотонамагничивания многодоменных ферромагнетиков светом с циркулярной поляризацией. Также в конце 90-х годов И.Д. Токман рассмотрел обратный эффект Фарадея для модели гармонического атома – системы, в которой в отсутствии облучения нет магнитного порядка. Эти работы способствовали в дальнейшем развитию теории обратного эффекта Фарадея в сверхпроводниках, которые активно начались в 2020 году.
Каких результатов уже удалось достичь?
Прежде всего, в 2021 году нашей научной группе под руководством Александра Сергеевича Мельникова удалось построить теорию обратного эффекта Фарадея в сверхпроводниках, выявив физический механизм возникновения магнитного момента, который является специфическим для сверхпроводников и отсутствует во всех других материалах. Далее совместно с коллегами из Университета Бордо (Франция) был предложен механизм оптического управления топологически защищенными магнитными состояниями в сверхпроводящих кольцах. В 2023 году мы адаптировали нашу теоретическую модель для описания обратного эффекта Фарадея в существенно более широком диапазоне параметров систем. Надеюсь, что в ближайшем будущем результаты наших работ будут проверены экспериментально.
Планируете ли Вы развивать эту область исследований в дальнейшем? Какие исследования хотели бы провести?
Да, конечно, планирую. Собственно, проект, поддержанный фондом «БАЗИС», как раз и направлен на развитие этой тематики исследований. В первую очередь, хотелось бы построить теорию эффекта фотонного увлечения электронов в сверхпроводниках. Далее хотелось бы разобраться в микроскопических механизмах возникновения фотогальванических эффектов, поскольку пока построенная нами теория основана на полуфеноменологической модели. Еще есть идеи по поводу возможности предсказания похожих и смежных явлений в более сложных сверхпроводящих структурах, например, в системах, содержащих ферромагнетики или материалы с сильным спин-орбитальным взаимодействием. В общем, планов много – будем их реализовывать.