Новый мостик отношений между ФИАН и МФТИ
В 2022 году в Физтех-школе физики и исследований им. Ландау (ЛФИ) МФТИ открылась лаборатория оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов. Она создана совместно с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) в рамках конкурсного отбора по программе «Приоритет 2030» и развивается в тесном взаимодействии с кафедрой квантовой радиофизики ФИАН в МФТИ.
О том, как появилась новая лаборатория, какие у нее тематики исследований и как появление лаборатории модернизирует один из самых важных учебных курсов МФТИ — лабораторный практикум по общей физике, рассказывают сотрудники лаборатории: Гульнара Вишнякова, старший научный сотрудник — заместитель заведующего лабораторией и старший научный сотрудник ФИАН, Елена Мирончук, старший научный сотрудник лаборатории и заместитель директора ЛФИ МФТИ, Максим Чернопицский, младший научный сотрудник лаборатории и младший научный сотрудник ФИАН.
Долгожданное событие
— Почему и как возникла идея создания лаборатории? Как новая лаборатория связана с кафедрой квантовой радиофизики? Какое значение имеет открытие лаборатории для студентов, для МФТИ, для ФИАН? Как вы видите ее развитие?
Гульнара Вишнякова:
— Для ФИАН всегда было важным тесное взаимодействие с МФТИ. Первая базовая кафедра ФИАН в МФТИ, кафедра квантовой радиофизики, появилась одновременно с созданием самого Физтеха, а сегодня уже шесть базовых кафедр и образовательных программ ФИАН открыты в МФТИ — это больше, чем у любой другой базовой организации.
Когда весной 2022 года в рамках программы «Приоритет 2030» был объявлен конкурс на создание в МФТИ лабораторий совместно с базовыми организациями, то ФИАН просто не мог не воспользоваться такой возможностью! И руководство института проявило инициативу: директор ФИАН Николай Колачевский предложил создать лабораторию, объединяющую тематики двумерных функциональных материалов и ультрахолодных атомов.
Елена Мирончук:
— Для ЛФИ появление этой лаборатории — долгожданное событие. Уже несколько лет существует идея создания научно-образовательного центра в области фундаментальной фотоники на базе нашей Физтех-школы вместе с ФИАН. Однако организация большого центра — задача очень сложная, вот директор ЛФИ Андрей Рогачев и предложил: «А почему бы не начать с открытия пока одной, первой лаборатории?».
В результате все обстоятельства сложились удачно: и сильная идея, и проведение конкурса по программе «Приоритет 2030», и личная заинтересованность руководства, — все это позволило выстроить новый мостик отношений между ФИАН и МФТИ. А поскольку фундаментальная фотоника относится к тематике кафедры квантовой радиофизики, объединяющей немало инициативных людей, многие из которых — выпускники МФТИ и готовы с удовольствием работать со студентами, то мы уверены, что этот мостик будет со временем только крепче.
Гульнара Вишнякова:
— Добавлю, что и Елена, и я, и заведующий лабораторией Владимир Кривобок, и директор ФИАН Николай Колачевский, и многие наши коллеги — выпускники кафедры квантовой радиофизики. Именно благодаря поддержке кафедры, и административной, и материальной, нам удалось создать лабораторию, без ее помощи это было бы в сто раз сложнее. И мы надеемся, что наша лаборатория станет первым ростком, из которого в будущем может вырасти большой совместный исследовательский центр ФИАН-МФТИ.
Связь между современной физикой и тем, что преподается на базовых теоретических курсах
— Ваша лаборатория с момента своего создания действует очень активно: она сразу включилась в учебный процесс и проводит лабораторный практикум для студентов третьего курса. Как у вас получилось организовать этот практикум? Кто и как придумывает лабораторные работы?
Елена Мирончук:
— В Лабораторном корпусе МФТИ, на втором этаже, расположена учебная лаборатория кафедры квантовой радиофизики, которая появилась на Физтехе одновременно с созданием кафедры и самого МФТИ. В создании оригинальных лабораторных работ по оптике и спектроскопии принимали участие лучшие специалисты ФИАН в этой области, в том числе академик Г. С. Ландсберг. Когда мы подавали заявку на создание лаборатории, то задумывали, что научная деятельность будет развиваться в тесной связке с учебной, в соседних комнатах. И причины здесь не только исторические.
Дело в том, что, когда мы сами учились, практикум в этой учебной лаборатории нам очень нравился. Однако время идет, и работа в научных лабораториях сейчас строится на других принципах, на другом оборудовании, нежели 10 — 20 лет назад. Перестройка практикума назрела. Нам хотелось, с одной стороны, сохранить подход, когда студенту дается относительная свобода и достаточно времени для того, чтобы самому разобраться в каждом учебном эксперименте, но, с другой стороны, перенести практикум на современные научные задачи, подходы и оборудование, чтобы, приходя в научные лаборатории ФИАН, студент понимал, что его там ждет. Наш новый практикум такой фундамент дает — после его прохождения ребята отличают рамановский микроскоп от атомно-силового, умеют из миниатюрных деталей собирать установки и с их помощью исследовать образцы микро-, наномасштабов, пары рубидия и газы в атмосфере, приобретают другие полезные навыки.
Идея сделать новый практикум доступным для всех студентов ЛФИ идет от дирекции Физтех-школы в ответ на запрос самих студентов модифицировать лабораторный практикум по физике в МФТИ. Демонстрация классических эффектов на лабораторных работах очень важна, но будущие ученые должны уметь пользоваться современными приборами и решать конкретные задачи, а в идеале — самостоятельно ставить эти задачи. И учебные практикумы должны этому способствовать. Между дирекцией ЛФИ и кафедрой общей физики было достигнуто соглашение, что третьекурсники могут пройти наш практикум как альтернативу стандартному практикуму по общей физике, записавшись на него в мае в конце второго курса. Студенты других физтех-школ также имеют возможность посещать наш практикум по индивидуальной договоренности. В этом году, кстати, двое этой возможностью воспользовались.
Лабораторные работы ведут научные сотрудники. Как правило, человек берет задачу из своей научной деятельности, выбирая из того, чем он занимается в лаборатории, то, что можно объяснить и показать третьекурснику. Автор обсуждает идею с руководством кафедры, возможно, вносит изменения в сценарий лабораторной работы. Сейчас у нас шесть авторов лабораторных работ, и они сами проводят их со студентами.
Основная идея нашего практикума — установление связи между современной физикой и тем, что преподается на базовых теоретических курсах. Например, самая простая задача — о прямоугольной потенциальной яме, которая есть и в рамках курса общей физики, и в рамках курса теоретической физики. На нашем практикуме ее можно проиллюстрировать на примере слоистой двумерной гетероструктуры, т. е. осветить ее лазером, измерить люминесценцию, решить уравнение и сравнить то, что получилось, с реальными экспериментальными данными. Есть и другие работы, которые знакомят студентов с современным оборудованием, с современными подходами к научному эксперименту.
Детали конструктора Лего
— Ваша лаборатория решает не только учебные задачи, но и ведет научную работу. Какими исследованиями вы занимаетесь?
Максим Чернопицский:
— Я занимаюсь функциональными материалами — двумерными слоистыми полупроводниками, а точнее, дихалькогенидами переходных металлов. Это класс химических соединений, которые состоят из атома металла и двух атомов халькогенов, которые объединены в своего рода единый слой, на самом деле состоящий из трех атомных слоев. Связь атомов металла и атомов халькогенов является преимущественно ковалентной, но сами слои между собой сцепляются слабыми силами Ван-дер-Ваальса, что позволяет несложными манипуляциями получать из объемного материала атомарно тонкие пленки.
Огромный интерес эти соединения представляют благодаря своим электронным и оптическим свойствам. А именно, очень сильному изменению этих свойств при переходе от объемного материала к двумерному, где основную роль начинают играть уже квантовые эффекты.
Если посмотреть с практической точки зрения, то у этих материалов достаточно высокий потенциал. Например, они могут найти применение в СВЧ-электронике, в различных детекторах излучения — можно строить мультиспектральные детекторы с использованием дихалькогенидов. Плюс светоизлучающие и фотовольтаические устройства — те же солнечные ячейки с более высоким КПД. А некоторые дихалькогениды могут быть использованы в качестве катализаторов для химических реакций.
Замечу, что дихалькогениды известны более сорока лет и применяются в качестве объемного материала для практических целей. Однако после открытия графена, причем полученного простейшим способом, ученые обратили внимание на другие материалы и стали столь же просто получать их тонкие пленки и изучать свойства. Так произошло и с дихалькогенидами.
Еще больший интерес вызывает возможность сборки двумерных материалов с разными свойствами. Создание из них гетероструктур — вот что открывает настоящие горизонты! Представьте такую картину: у нас в руках детали конструктора Лего, одна деталь — это дихалькогенид переходного металла (полупроводник), другая — например, графен, третья — изолятор типа слюды (она тоже слоистая, поэтому из нее также можно получать тонкие пленки). Из таких «деталей» мы можем собирать, как Лего, любую конструкцию, дизайн которой разработаем. Причем дихалькогениды — это большой класс материалов с различными свойствами, и мы можем выбрать любые из этого широкого набора с шестью десятками наименований.
Так, например, мы сможем создать радиочастотный транзистор, собранный из атомарных пленок, настолько тонкий, что его невозможно сделать традиционными методами — травлением или литографией на кремнии или на арсениде галлия. Или, допустим, мы хотим разработать мультиспектральный детектор. Для этого мы соберем стопку из разных материалов, одни из которых будут детектировать свет в видимом диапазоне, другие — в инфракрасном, третьи — в ультрафиолетовом. В результате мы получим один пиксель размером несколько микрон и толщиной в нанометры, который будет улавливать излучение во многих диапазонах длины волны. А затем на его основе могут быть созданы новые геофизические сканеры.
Основной упор в работе с такими функциональными материалами делается на том, чтобы предсказывать и получать интересные характеристики, находить параметры, превосходящие те, что имеют существующие материалы. И их может предоставить как раз семейство дихалькогенидов — слоистых полупроводников.
Чтобы добиться определенных параметров, необходимы фундаментальные исследования свойств этих двумерных материалов. Этим мы и занимаемся — с помощью скотча, а это до сих пор самый простой и чистый способ получения тонких пленок для многих научных групп, мы расщепляем кристаллы и высаживаем на подложку десятки, три, два или даже один монослой. Затем исследуем их оптические свойства и то, как они меняются в зависимости от толщины слоя, как на них влияет материал подложки, возможные дефекты и примеси пленки, которые мы добавляем легированием. Также мы занимаемся сборкой разных гетероструктур и пытаемся таким образом получить материалы с уникальными свойствами. А уже в 2024 году мы начнем создавать устройства на основе тонких пленок, например, простые фотоприемники или транзисторы для исследования транспортных характеристик.
Вообще двумерные слоистые материалы, хотя и изучаются уже двадцать лет, обладают массой еще неизвестных свойств. Некоторые представители остаются неизученными до сих пор. И я думаю, что у нас впереди большой простор для фундаментальных исследований. А они, в свою очередь, откроют новые возможности для дизайна элементов и разработки устройств оптоэлектроники.
Ультрахолодные атомы — инструмент с прекрасным интерфейсом!
— Еще одна тематика вашей лаборатории — ультрахолодные атомы. Какой они температуры, как вы их исследуете и зачем?
Гульнара Вишнякова:
— Я начну с ответа на вопрос «Что такое ультрахолодные атомы?». Мы можем легко представить себе пар, который при понижении температуры остывает, превращаясь в жидкость, а затем и замерзает. Но можно ли постоянно оставаться в газообразном состоянии, какой бы низкой ни была температура? Можно, и мы исследуем ультрахолодные атомы рубидия, которые остаются в газообразном состоянии из-за маленькой концентрации, даже если температура близка к абсолютному нулю. Мы называем это состояние ультрахолодным газом.
Атомы такого газа существуют «каждый сам по себе», не сильно друг с другом взаимодействуя. И это интересно, ведь свойства твердого тела, состоящего из какого-нибудь материала, очень отличаются от атомарных свойств этого материала, потому что в твердом теле слишком сильное взаимодействие атомов между собой. Мы же имеем дело с газом, и очень холодным. Точнее, очень-очень-очень холодным. Если зимний холод — это минус 20 градусов C, а благодаря технологии получения жидкого азота и жидкого гелия можно дойти до 4 градусов К, то технология лазерного охлаждения, которую мы используем, позволяет получать крайне низкие температуры — это сотни мкК, десятки мкК и даже ниже. А самые низкие температуры, полученные в подобных экспериментах — это десятки пК.
В ультрахолодных атомах один из самых значимых параметров — это температура. Соответственно, в нашей работе является важным ее измерение. Например, наша задача — получить максимально достижимую низкую температуру. И мы ее измеряем в зависимости от параметров, пытаемся понять, почему атомы получаются «горячее», чем предсказывает теория, и пытаемся дальше их охлаждать.
Если нужная температура уже достигнута, то дальше мы можем проводить эксперименты, нацеленные на проверку фундаментальных теорий — это одно из важных применений ульрахолодных атомов. Если изначально они были исключительно объектом исследований, но за последние десятилетия стали и прикладным инструментом и даже имеют практическое применение.
Одно из их самых распространенных применений — это стандарты частоты. В частности, единица времени — секунда — определена по частоте переходов в ультрахолодных атомах цезия. В свою очередь, оптические стандарты частоты необходимы, к примеру, для навигации, потому что мы определяем наше местоположение по временам, за которое до нас дошли импульсы от спутников, а время измеряется в единицах принятого нами стандарта.
Другое интересное применение — это квантовые вычисления и квантовые компьютеры. Существует несколько платформ, на которых сейчас активно создаются квантовые компьютеры — это сверхпроводники, ультрахолодные атомы, ультрахолодные ионы, интегральная фотоника и ряд других. Т. е. ультрахолодный атом тоже можно использовать как квантовый бит или кубит.
Еще одно не менее интересное применение — квантовые симуляции. Пусть у нас есть твердотельный объект или даже двумерный, как у моих коллег по лаборатории. И нам нужно узнать, как внутри объекта себя ведут электроны, понять их волновые функции. Ультрахолодные атомы — инструмент с прекрасным интерфейсом! И мы можем создать с помощью относительно простых подручных средств: оптические поля, магнитные поля, — потенциал (гамильтониан) в ультрахолодных атомах аналогичный тому, какой ионы создают для электронов, и «просто» посмотреть, как будут вести себя ультрахолодные атомы. Затем, проведя корректную аналогию, мы сможем рассказать, что происходит в исследуемом объекте.
Ультрахолодные атомы можно использовать в квантовых гравиметрах для очень-очень точного измерения гравитационного потенциала. В таких экспериментах облако ультрахолодных атомов подбрасывается, проводится его спектроскопия в определенных точках его баллистической траектории, и таким образом можно измерять ускорение свободного падения. Это может быть полезно для создания карты гравитационного потенциала и для спутнико-независимой (автономной) навигации. Если у нас есть очень хорошая карта гравитационного потенциала и есть гравиметр, то мы можем ориентироваться независимо от спутника, автономно. Точные измерения гравитационного потенциала могут помочь и в поиске полезных ископаемых, т.к. то, что находится под землей, может повлиять на измерения и в результате быть обнаруженным.
Две точки соприкосновения
— Получается, что в вашей лаборатории два отдельных направления научной работы: двумерные слоистые полупроводники и ультрахолодные атомы. Есть ли общие задачи, объединяющие оба направления?
Максим Чернопицский:
— Действительно, у нас разделены области ультрахолодных атомных систем и исследования двумерных дихалькогенидов металлов, они существуют независимо друг от друга и имеют разные цели и задачи. Однако мы исследуем возможности пересечения этих областей.
Гульнара Вишнякова:
— Да, с одной стороны, это две самостоятельные тематики. Однако у нас есть две точки соприкосновения. Первая — я про нее упомянула, рассказывая про применение ультрахолодных атомов в квантовой симуляции, — с помощью квантовых симуляций ультрахолодными атомами можно моделировать сложные системы в твердых телах, в т. ч. двумерных. Вторая — изучение взаимодействия ультрахолодных атомов и двумерных пленок дихалькогенидов переходных металлов. В наших планах — использовать ультрахолодные атомы как сенсоры электрического поля, потому что частоты переходов в атомах к нему чувствительны. Мы собираемся располагать ультрахолодные атомы вблизи двумерных чешуек или пленок, а затем возбуждать с помощью световых импульсов или других воздействий переходные процессы в двумерных полупроводниках. Т.к. процессам сопутствует электрическое поле, то мы надеемся, что сможем его измерять в динамике с помощью ультрахолодных атомов. Мы уже подготовили заявку на грант на эту тему и ждем результатов.
Публикации
На странице лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов можно познакомиться со статьями сотрудников, опубликованными в 2022 — 2023.
Если вы закончили второй курс бакалавриата МФТИ и хотите на третьем курсе заниматься лабораторным практикумом в лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов, свяжитесь с руководителем практикума Еленой Сергеевной Мирончук: mironchuk.es@mipt.ru.
Начать учиться на кафедре квантовой радиофизики на базе ФИАН и заниматься научной работой в лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов, а также лабораториях ФИАН, можно уже в бакалавриате ЛФИ МФТИ. Для выпускников бакалавриата и магистратуры МФТИ и других вузов открыта возможность поступления в магистратуру или аспирантуру кафедры. Подать заявление можно на сайте приемной комиссии МФТИ.
Если у вас есть вопросы к сотрудникам лаборатории, обратитесь к заместителю заведующего Гульнаре Александровне Вишняковой: gulnarav7@gmail.com, или к заведующему Владимиру Святославовичу Кривобоку: kolob7040@gmail.com.