Наталья Берлова, декан Сколтеха, в эфире «Эхо Москвы» об электронике будущего

skoltech“Электроника будущего. Заменят ли электроны на фотоны?” Наталья Берлова, декан Сколтеха, в эфире «Эхо Москвы»

Н. АСАДОВА: Добрый день всем. У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Привет.

Е. БЫКОВСКИЙ: Привет, Наргиз и привет, уважаемые радиослушатели.

Н. АСАДОВА: Да. Я рада вам представить нашу сегодняшнюю гостью – это Наталья Берлова, декан Сколковского университета науки и технологий, а также я добавлю от себя: первый за 800 лет истории Кембриджа постоянный профессор математики – женщина. Здравствуйте.

Н. БЕРЛОВА: Здравствуйте.

Е. БЫКОВСКИЙ: Только Кембриджа, или ещё и Оксфорда?

Н. БЕРЛОВА: Про другое мы разговаривать не будем.

Е. БЫКОВСКИЙ: Хорошо.

Н. АСАДОВА: А Наталья нам будет сегодня рассказывать про очень интересную тему. Тема звучит так: «Электроника будущего: заменят ли электроны на фотоны?». Такое магическое название фотоника существует. Под ним разные люди понимают совершенно разные вещи. Вот, Егор Быковский нам рассказывал, что в основном изначально это связано с оптикой.

Е. БЫКОВСКИЙ: Просто некоторые источники утверждают, что слово «оптика» постепенно заменяется фотоникой. Но я, кстати, поспрашивал перед передачей у своих знакомых. И практически никто его не слышал. Кафедра фотоники на Физмате МГУ есть, а слова нету. Сейчас мы поэтому должны слегка рассказать. Фотоника – всё-таки наука… А, собственно, что я буду рассказывать? У нас тут сидит гость, который прекрасно всё это расскажет вместо меня. Так что же такое фотоника?

Н. БЕРЛОВА: На самом деле терминология фотоники пришла из России в 1960-х годах. Как раз соединили слова «фотон», частица света с разделом науки, который изучает свет. Но в течение долгого времени в основном имелись в виду какие-то классические процессы, оптика, и только в последнее время стали появляться уже экспериментальные системы, хотя они были предсказаны лет 15-20 назад, в которых свет играет такую особую роль, свет, соединённый с другими состояниями, обычно квантовыми состояниями. То есть теперь гораздо больше терминов появилось: это и нанофотоника иногда используется.

Н. АСАДОВА: О чём мы будем сегодня говорить?

Н. БЕРЛОВА: Сегодня я бы хотела говорить о замене элементной базы, то есть я бы хотела говорить о соединении света и вещества. Какие в результате такого удивительного соединения возникают либо новые материалы, либо новые частицы, и эти частицы на самом деле будут в дальнейшем явно использоваться как носители информации. И этим самым, отвечая на вопрос, поставленный в заголовке передачи, то есть произойдёт действительно замена элементной базы электроники.

Н. АСАДОВА: То есть вместо электронов будут бегать фотоны?

Н. БЕРЛОВА: Фотоны, соединённые с чем-то, даже с теми же самыми электронами.

Н. АСАДОВА: Об этом поговорим более подробно сразу после рекламы.



РЕКЛАМА



Н. АСАДОВА: Это была рекламная пауза. По традиции мы должны послушать новости науки. На этот раз нам помогала их озвучивать не Марина Максимова, а Алексей Голубев.

НОВОСТИ НАУКИ

А. ГОЛУБЕВ: Учёные из университетов Осаки и Хоккайдо разработали метод световой микроскопии, который использует запутанные фотоны для придания большей контрастности изображению. По словам физиков, точность нового метода на 30% превышает стандартный квантовый предел чёткости для обычных фотонов. Метод является дополнением вида оптической микроскопии, в котором изображение формируется за счёт интерференции пучков света, проходящих через объект: тёмные и светлые области формируются тогда, когда путь, пройденный одним из пучков, отличается от пути другого, например, за счёт разной высоты в разных точках объекта.

В качестве тестового объекта учёные использовали пластинку стекла, на которую в рельефе была нанесена буква Q. Высота рельефа составляла всего 17 нм. При использовании обычных фотонов для подсветки пластины изображение оказалось настолько шумным, что было едва видно. Когда использовался источник запутанных фотонов с соответствующим методом обработки, контрастность изображения выросла почти на треть: источники запутанных фотонов сейчас используются преимущественно для исследования возможности квантовой криптографии.

Измерение квантового состояния (обычно базиса поляризации) одной из запутанных частиц даёт информацию о другой, что можно использовать для кодирования.

Н. АСАДОВА: Это были новости науки с Алексеем Голубевым. Я напоминаю, что тема нашей сегодняшней передачи звучит как «Электроника будущего: заменят ли электроны на фотоны?». И наш гость сегодня – Наталья Берлова, декан Сколковского университета науки и технологий, а также постоянный профессор математики в Кембридже.

Наталья, вы начали говорить о том, что фотоны в чистом виде не очень удобно использовать для электроники нового поколения. А почему мы не можем использовать чисто фотоны?

Н. БЕРЛОВА: Давайте начнём с того, что сейчас происходит квантовая революция. Если XIX век был веком пара, XX век был веком электроники, то есть у нас появились все наши основные технологические продвижения, они, конечно, связаны с открытием электричества и вселением электричества. Всё, наша жизнь уже невозможно себе представить без электронных приборов.

И теперь появилась такая идея, что следующий век, XXI век, будет веком фотоники. Почему? В чём проблема с электронами? Электроны медленные. То есть сейчас наши компьютеры на столе достигли своих физических пределов по скорости передачи информации. То есть дальше как бы быстрее мы ни пытались гнать электроны, задавая разности потенциалов, они только нагревают, система нагревается – быстрее уже ничего двигаться не может.

То есть электроны очень хорошие, они маленькие, поэтому можно создавать маленькие микросхемы. Но они медленные. Всё.

Теперь фотоны. Фотоны дико быстрые.

Е. БЫКОВСКИЙ: С маленькими тоже проблема, потому что там же ещё есть препятствия по количеству транзисторов, меньше уже не сделаешь, чем сейчас есть.

Н. БЕРЛОВА: Но всё равно они должны быть достаточно маленькие, чтобы эти транзисторы были. Хотелось бы, чтобы это было ещё меньше, но теперь давайте просто посмотрим на вопрос скорости передачи информации как основную технологическую проблему.

То есть возникла идея: давайте использовать фотоны. Фотоны уже движутся быстрее некуда, то есть можно и терагерц, и так далее двигаться.

Е. БЫКОВСКИЙ: Для передачи информации уже давно используют в какой-то степени.

Н. БЕРЛОВА: Да, безусловно. Но для того чтобы ускорить наши компьютеры, нужно, чтобы был модулятор, который электрический поток, электрическую информацию на электрическом носителе переводит в оптический, потом я передаю со скоростью света, грубо говоря, или приближаясь к скоростям света, информацию, потом должен стоять фотодетектор, который эту информацию считывает и переводит обратно в электрические сигналы. То есть для того чтобы мне это сделать, я должна использовать носитель как фотон на маленьких нанотранзисторах. Но фотон большой, у него большая длина волны. Поэтому в этом проблема.

Кроме того, фотоны – не взаимодействующие частицы.

Е. БЫКОВСКИЙ: Тут надо пояснить. Всё-таки длина волн света может быть разная.

Н. БЕРЛОВА: В зависимости от среды, в которой она движется. То есть вакуум – это максимальная скорость света. В среде она будет меньше, но всё-таки достаточно большая. Это скорость волны. А длина волны меняется, но всё равно она гораздо больше, чем длина волны электрона. И поэтому то, что мы можем сделать с электроном, к сожалению, мы уже с фотоном сделать не можем.

Е. БЫКОВСКИЙ: А на сколько больше?

Н. БЕРЛОВА: Там 2-3 порядка, то есть фотонные лазеры сейчас – это 100 микрон, в то время как у нас устройства порядка микрона.

Е. БЫКОВСКИЙ: Не наноразмер, понятно.

Н. БЕРЛОВА: И кроме того, вторая проблема, что фотоны – это не взаимодействующие частицы. То есть между собой они не взаимодействуют практически. А для того чтобы можно было управлять системой, например, создавать очень быстрые модуляции, нужно, чтоб система была взаимодействующей.

Н. АСАДОВА: Сейчас я попробую обобщить. Фотоны не подходят, потому что слишком длинные и между собой не общаются. 

Н. БЕРЛОВА: Поэтому возникла идея, что давайте создадим такие связанные состояния. То есть создадим новые материалы и новые частицы на самом деле, которые будут этой базой. То есть вместо электрона и фотона мы создадим нечто третье – какой-то гибрид, кентавр, ноги от электрона, голова от фотона или наоборот. То есть каким образом это сделать? Как соединить электромагнитную волну с волной света, например.

В квантовой механике такое соединение возможно. То есть возникают новые частицы, они не фундаментальные частицы. Они своей личности не имеют. Но система начинает себя вести так, как будто она состоит из частиц с определённой массой и импульсом.

Н. АСАДОВА: Разве могут частицы существовать в нормальных условиях, если они не фундаментальные?

Е. БЫКОВСКИЙ: Короткоживущие.

Н. БЕРЛОВА: Да, они могут быть очень короткоживущими. Очень хорошее замечание. Они могут жить мало, но достаточно того, чтобы сделать своё грязное дело. Сейчас я поясню.

В наших опытах в Кембридже в лаборатории создаются такие квантовые ямы, квантовые объекты, когда происходит напыление одного атома различных веществ – галлий, индий, алюминий, арсеник и так далее таким образом, что вот эти полупроводниковые материалы могут захватывать и испускать свет одного цвета конкретного.

То есть у полупроводников есть такое свойство, что ты светишь каким-то определённым цветом, и возбуждается электрон. То есть он поступает в возбуждённое состояние, оставляет за собой дырку. И вот эта дырка и этот возбуждённый электрон ведут себя как частица, как будто это была бы отдельная живущая частица, то есть они движутся с какой-то скоростью, у них есть эффективная масса… Но она не долгоживущая, потому что это возбуждённое состояние. И поэтому вот этот экситон через какое-то время выпустит фотон, который поглотил. А мы что можем сделать?

Мы можем поставить такие зеркала, отражатели, что фотон отражается, опять поглощается, электрон возбуждается, фотон испускается, отражается от зеркала и так далее, делает это несколько раз, то есть так, как мы это представляем классически. То теперь у нас экситон, вернее, даже электрон, дырка, фотон, электрон, дырка, фотон, а в квантовой механике возникает суперпозиция состояний, то есть возникает такая особая как бы частица. И теперь эта частица называется поляритон.

И такую игру, такой зоопарк можно продолжать довольно много. Можно создать магнон-поляритон. Магнон – это магнитный спин волны. И возбуждения этой частицы можно соединить с возбуждением этого поляритона. Можно взять вибрацию решётки. Вибрация решётка – это сама квазичастица фонон. Фонон соединить с поляритоном – получится поляритон-фонон и так далее.

Е. БЫКОВСКИЙ: У нас откуда-то взялся кристалл.

Н. БЕРЛОВА: Это твёрдое тело. Мы говорим о твёрдотельных вещах.

Е. БЫКОВСКИЙ: Это то, с чем взаимодействуем фотн?

Н. БЕРЛОВА: Он может. Там всё зависит от того, насколько близки будут энергии этих квазичастиц. Если у них энергии будут близки, то они могут начать взаимодействовать уже между собой, как-то сцепляться. И в результате этого взаимодействия возникают какие-то ещё новые состояния. То есть получается, что мы начали с электрона и фотона, а закончили таким неким зоопарком.

Е. БЫКОВСКИЙ: Зоопарком частиц с непонятными…

Н. БЕРЛОВА: Магноны, фононы, поляритоны и экситоны, полароны, плазмоны. То есть в зависимости от того, что мы с чем зацепили, то и начнём у нас жить своей жизнью.

Н. АСАДОВА: А как это всё запихнуть в микрочип?

Н. БЕРЛОВА: А этот зоопарк… Смотрите, мы начали, если я посмотрю по частоте, по скорости передачи информации или по размеру, тут у меня электроны далеко слева, тут у меня фотоны далеко справа, а теперь я создала частицы, которые занимают весь этот промежуточный слева и направо по любой заданной, вот я говорю, а я хочу, чтоб по этой частоте у меня была частица.

И тогда… посчитал и сказал – а теперь вам нужно вот так, и тогда у вас будет частица, которая соответствует именно вот этому размеру или именно этой скорости передачи информации, либо частоте, в зависимости от того, какую характеристику именно я хочу.

Е. БЫКОВСКИЙ: Постойте, правильно я понимаю, что все вот эти зоопарковые частицы, гибриды между электронами и фотонами, или чем-то ещё, они всё равно получаются все медленнее электрона?

Н. БЕРЛОВА: Быстрее. Они лежат между электронами и фотонами. То есть соединяя фотон и электрон, мы создали… Например, поляритон…

Е. БЫКОВСКИЙ: То есть они все медленнее фотона, но быстрее электрона.

Н. БЕРЛОВА: Но быстрее. И по массе они могут… например, тот же поляритон в неорганических штуках будет в 10 000 раз легче, чем электрон, и поэтому он будет двигаться тоже быстро. И эти поляритоны будут взаимодействовать, это сильное взаимодействие частиц. Сейчас я просто расскажу ещё, что с этим поляритоном какие интересные вещи можно сделать.

То есть в этих опытах наших что происходит? Во-первых, мы обратили внимание, что у нас есть вот этот фотон, который поглощается, отражается, поглощается, отражается, но мы знаем, что в жизни всё несовершенно. И какие зеркала б мы такие ни делали аккуратные, как бы их ни наращивали миллион слоёв, но в результате такого туда-сюда фотон скорее всего куда-нибудь убежит всё-таки. То есть система такая…

Е. БЫКОВСКИЙ: А иначе вы бы сделали вечный двигатель первого рода.

Н. БЕРЛОВА: Да, этого нельзя. И более того, если вы меня спросите, а сколько же живёт частица в вашей системе, я скажу вам страшную вещь: около 5 пикосекунд. Пико – это 10^-12, то есть это очень мало и кажется совсем неинтересным.

Н. АСАДОВА: Его жизнь мимолётна.

Н. БЕРЛОВА: Жизнь его стремительно проходит, но он успевает очень много сделать, потому что он много раз успевает туда-сюда. И мы говорим – система у нас такая убывающая. Дело плохо. Фотон мы всё время должны искать. И мы на каких-то больших энергиях эти фотоны радостно испускаем, создаются эти поляритоны, потом они начинают между собой сталкиваться, рекомбинировать, что-то из себя испускать, и в итоге они все идут по энергии и скапливаются в минимально возможные для них энергии.

Они там все скапливаются, и возникает удивительный феномен: бозе-кондесация. Это вообще новое состояние вещества. Это открыто в 1924 году Эйнштейном и индийским математиком Бозе предсказано, что такое состояние возможно, а потом впервые его получили только в 1995 году в холодных газах, когда наконец…

Е. БЫКОВСКИЙ: И что же такое бозе-конденсат?

Н. БЕРЛОВА: Бозе-кондесат – когда много частиц в системе, они все скапливаются на минимальном уровне по энергиям. А поскольку эти частицы идентичны, у вас возникает большая макроскопическая система, где все частицы начинают вести себя абсолютно одинаково. То есть возникает такая гигантская волна, такой объект большой, но в его становлении участвовали как раз вот эти квантовые эффекты. То есть новое состояние вещества.

Е. БЫКОВСКИЙ: Тут надо всё-таки пояснить для слушателей. Потому что в куске гранита все частицы тоже ведут себя одинаково. Но это не бозе-конденсат.

Н. БЕРЛОВА: Нет, там должен быть минимальный уровень по энергиям. В граните частицы распределены по всем энергиям, по каким-то уровням энергий, которые существуют в вашем твёрдом теле, в каком-то другом. А здесь именно это один уровень, все частицы бозоны, все они сидят в одном. У них были взаимодействия между собой. Каждая частица – это у нас частица и волна одновременно. Так вот если у вас происходит взаимодействие, получается, что все волны этих частиц начинают себя вести абсолютно одинаково: у них одна и та же фаза, одна и та же энергия, одна и та же длина волны, то есть все частицы становятся одним целым.

И вот эти частицы, которые до этого прыгали туда-сюда по вашей кристаллической решётке, как-то перескакивали, то теперь они все вместе дышат одинаково, ровно, с одной частотой, то есть их уже друг от друга пометить нельзя. Возникло одно целое. И это одно целое удивительно по многим вещам. То есть какие состояния можно в них получать. На основе бозе-конденсации можно делать удивительно аккуратные приборы, сенсоры. Почему? Потому что это система, которая на малейшие изменения окружающей среды будет реагировать макроскопически, созданием каких-то больших объектов, например, квантовых вихрей. То есть на этой основе можно уже какие-то сенсоры, интерферометры.

Н. АСАДОВА: А сенсоры, которые где можно использовать?

Н. БЕРЛОВА: Измерение магнитного поля Земли, гироскопы, то есть поменять базу GPS-устройств, использовать в микросхемах транспортного авиационного оборудования.

Н. АСАДОВА: То есть они будут более чувствительны?

Н. БЕРЛОВА: Гораздо более чувствительны, гораздо легче, гораздо дешевле. Возвращаясь к нашим замечательным моим любимым частицам поляритонам, мы теперь с радостью видим, что они бозоны, и мы их накачиваем большой энергией, потом они как-то взаимодействуют между собой, пока не создают вот этот бозе-конденсат уже поляритонов. То есть если до этого были бозе-конденсаты вот этих холодных газов, там атомы, такие фундаментальные частицы, которые реальные.

А тут такие квазичастицы, вдруг они тоже идут и создают такое состояние.

Н. АСАДОВА: А живут они уже долго?

Н. БЕРЛОВА: И тут уже живут долго, потому что у вас постоянно идёт… возникает такое состояние равновесия более-менее, такое квазиравновесие, то есть вы их всё время накачиваете, у вас всё время есть потери. Но если они полностью уравновешивают друг друга – потери и прибытие частиц – то у вас возникает некое стационарное состояние.

Но при этом эти потери на самом деле очень хорошие потери-то. Потому что ведь у нас есть квантовая система. Как нам понять, что у нас происходит в этой системе? А вот эти фотоны, которые всё-таки…

Е. БЫКОВСКИЙ: По излучению.

Н. БЕРЛОВА: Да. Они являются продолжением того, что происходит. То есть какие там распределения плотностей, какое распределение энергий, то есть полностью, смотря как они вылетают, под каким углом с какой энергией, мы можем смотреть полностью картинку того, что у нас происходит внутри вот этого квантового объекта.

Н. АСАДОВА: Я так понимаю, что ещё одна сфера применения таких квазичастиц – это информация и связь, то есть передача информация ускорится во много раз благодаря вот этим всем…

Н. БЕРЛОВА: То есть, с одной стороны, вот эти частицы очень быстро движутся, очень хорошая скорость, которая измеряется, это микрон в пикосекунду.

Е. БЫКОВСКИЙ: Это получается довольно быстро.

Н. БЕРЛОВА: Это быстро, да. И в то же время это сильно взаимодействующие состояния. То есть я могу создавать сигнал, такой солитон, который будет распространяться. То есть я могу записать информацию моей системы, я могу там хранить, очень оптимально хранить, то есть на маленьких размерах большой объём информации и могу использовать для того, чтобы эта информация распространялась.

Но это сейчас идёт как раз такое обсуждение.

Н. АСАДОВА: Сейчас ещё не создано таких приборов, которые могли бы так быстро передавать информацию с помощью тех самых поляритонов, как вы говорите?

Н. БЕРЛОВА: Понятно, что есть экспериментальные разработки, где мы видим, что мы можем сигнал передавать, то есть есть распространение того же солитона от одного конденсата к другому, например, но чтобы это уже был прототип и помещён в реальную микросхему и в реальный сенсор, такого ещё нет. То есть есть предложения, есть идеи, но технологического ещё применения…

Н. АСАДОВА: Сейчас, у нас буквально ещё одна минута остаётся до новостей. В двух словах, а как это выглядит. Вы говорите, вот эти экспериментальные установки тренируются передавать какого рода информацию? То есть это картинка, или что это?

Н. БЕРЛОВА: Нет, пока это просто сигнал. То есть я ударяю, например, мой один конденсат или создаю два конденсата и потом вижу, как у меня вот это возбуждение с какой-то скоростью движется без дисперсии, без какого-то разлома этой информации. То есть я создала пучок, и этот пучок очень быстро у меня побежал. То есть пока это то, что мы учимся делать. 

Н. АСАДОВА: А как много институтов в мире вообще такого рода исследованиями занимаются? То есть это такой тренд, которым все уважающие себя и уважаемые институты занимаются?

Н. БЕРЛОВА: Есть группы, мы все друг друга знаем. То есть это и в Англии есть очень сильные, это и Франция, Швейцария, Япония, Соединённые Штаты. Такие есть вот эти группы. Но тут ещё идея какая? Что зоопарк этих частиц… то есть разные группы занимаются разными частицами.

Н. АСАДОВА: Здесь я вынуждена вас прервать. Сейчас будет реклама и новости. А затем мы вернёмся и продолжим нашу увлекательную беседу.



НОВОСТИ



Н. АСАДОВА: Добрый день ещё раз всем. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Говорим мы сегодня про электронику будущего: заменят ли электроны на фотоны? И разобраться нам в этой теме помогает Наталья Берлова, декан Сколковского университета науки и технологий, а также первая за 800 лет истории Кембриджа женщина – постоянный профессор математики.

Е. БЫКОВСКИЙ: Полный.

Н. АСАДОВА: Не полный совсем. Очень даже стройный.

Е. БЫКОВСКИЙ: Извините, пожалуйста.

Н. АСАДОВА: Егор пытается просто кальку с фултайм-профессор сделать. Но нет такого аналога в России.

Е. БЫКОВСКИЙ: Не получилось. Но она нам помогает разобраться всё-таки, смогут заменить электроны фотоны. Но мы пока что не разобрались.

Н. АСАДОВА: Я поняла то, что на самом деле гибриды некие, не чисто фотоны, а именно их гибриды, которые в искусственных условиях можно создать, они как раз умеют бегать быстрее электронов, но чуть медленнее фотонов, и вполне себе передавать информацию, но ещё не существует препаратов, аппаратов, которые в действительности бы уже использовали эти свойства. То есть всё в самом-самом начале. И мы в начале грандиозной революции.

Е. БЫКОВСКИЙ: Да, это всё в состоянии лабораторных исследований. Прототипов ещё нет.

Н. БЕРЛОВА: Ну, для чего-то. Это конкретно для поляритонных устройств. Но есть и какие-то устройства на основе других материалов. Сейчас я, может быть, скажу пару слов. То есть как можно создавать эти структуры. Ведь я говорила просто про наш эксперимент, который на основе таких неорганических полупроводников, да? И с ними есть большая проблема. Какая проблема? В том, что необходимы очень низкие температуры. То есть вот эти эксперименты – это 10-20 К. Это очень мало, это очень низко.

Е. БЫКОВСКИЙ: Рядом с абсолютным нулём фактически.

Н. БЕРЛОВА: Да. То есть это гораздо лучше, чем для холодных газов в 1995 – это мК или мкК, тогда была конденсация. То есть всё равно у нас тёпленько, но недостаточно для того…

Е. БЫКОВСКИЙ: Примерно как на Плутоне.

Н. БЕРЛОВА: Да. 3К – это абсолютно в пространстве межзвёздном. Поэтому ведь основная ещё одна проблема, что надо поднять температуру хотя бы комнатную. И сейчас очень много наработок уже идёт – это использовать другие материалы, комбинации материалов.

Я упомянула, что у нас напыление толщину в один атом различных материалов. И на самом деле вот эти конструкции…

Н. АСАДОВА: А материалы именно полупроводники вы берёте?

Н. БЕРЛОВА: Да, именно полупроводники. То есть есть другие варианты. Какие варианты? Опять-таки всё зависит от идеи и для чего нам это нужно. Мы эти материалы можем, как лего-конструктор, то есть каждый слой – это кусочек Лего. И потом можно комбинировать эти слои, как мы их перемежуем, как мы их наслаиваем, для того чтобы создавать опять заданные свойства. Грубо говоря, например, сейчас очень много разговоров идёт о графене.

В прошлый раз у вас был наш профессор, коллега наш Василий Перебейнос, он как раз специалист в этой области. То есть с графеном что? Графен очень быстро передаёт, действительно очень быстрые вот эти движения, поток заряженных частиц. Но он очень плохо поглощает свет. И, например, солнечные батареи. Я могу представить ситуацию, когда у меня будет слой графена, потом слой чего-то другого, что очень хорошо поглощает свет. И у нас идея – переходные металлы, их…

Е. БЫКОВСКИЙ: В чём смысл? Слой материала пропустил свет через себя, графен его отразил.

Н. БЕРЛОВА: Нет. А то, что переходной материал себя абсорбировал, он передал прозрачному слою графена, и здесь уже… то есть это преобразование энергии света в электрический сигнал, то есть графен теперь очень быстрый проводник, поток заряженных частиц. То есть как раз основная идея световой батареи, чтобы преобразовать свет в электричество. Вот таким образом этого можно достичь.

Кроме того, если говорить о микрочипах. Как ускорить компьютеры, возвращаясь к тому же вопросу. Есть модулятор, который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический сигнал очень быстро переходит от одного чипа к другому. Там тоже стоит фотодетектор, который делает всё наоборот: поглощает свет и превращает всё это в электричество. Как создать фотодетектор?

Можно использовать графен. Он более широкополосный, больше информации можно передать.

Е. БЫКОВСКИЙ: Дороговато выйдет.

Н. БЕРЛОВА: Графен-то?

Е. БЫКОВСКИЙ: Угу.

Н. БЕРЛОВА: Ну, карандаши найдём.

Е. БЫКОВСКИЙ: Вручную, наверное, да, можно найти. А на поток поставить производство графена пока вроде бы…

Н. БЕРЛОВА: Тут всегда речь идёт о том, давайте мы попробуем запустить процесс, понять, какие у нас есть преимущества, потому что преимущество может быть в том, что у нас широкополосная передача, мы сразу передаём много пучков. Может быть, на этом мы экономим. К чему мы присоединяем графен? К какой кремниевой подложке? Будет ли это проще или сложнее, чем в случае с германием? То есть здесь всегда идёт вопрос о том, если мы всё-таки получаем эффективность на порядок больше, а цена меньше, чем на порядок, может быть, всё равно мы выигрываем.

Н. АСАДОВА: Я слышала о том, что сейчас в экспериментах бывает, что потеря информации происходит. Это ещё одна проблема?

Н. БЕРЛОВА: Да, это ещё, конечно.

Н. АСАДОВА: А каким образом над ней работают учёные?

Н. БЕРЛОВА: Это опять нахождение оптимального конструктора Лего, то есть какие… вы здесь правильно говорите, что вопрос ещё цены стоит, то есть мы хотим редкоземельные материалы поменять на что-то довольно дешёвое. Поэтому у нас есть потери. У нас есть недостаточные скорости. У нас есть цена. То есть все эти параметры должны как-то соединиться. Или температура, опять-таки, связана, разумеется, с ценой: насколько ваш гироскоп будет действительно операбелен. То есть при 10 К вам нужен контейнер с жидким гелием вокруг. Поставить и поддерживать температуру.

Е. БЫКОВСКИЙ: Можно поставить и дома. Но дорого.

Н. АСАДОВА: Контейнер с жидким гелием.

Н. БЕРЛОВА: То есть на самом деле предложение о таком сверхтекучем гироскопе было в Беркли лет 10 назад, есть такой профессор Ричард Пакальд, он предложил использовать сверхтекучесть. Сверхтекучесть связана с бозе-конденсацией в чём-то. И он предложил использовать сверхтекучий гелий. Сверхтекучий гелий – это вы знаете: гелий, газ, если его охладить где-то до 4К, становится жидким. Но такая жидкость, в общем-то, обыкновенная. А если охладить ниже 2К, он становится сверхтекучим. То есть очень такие интересные свойства возникают, то есть жидкость, которая течёт без всякого трения. Может подниматься по краям сосуда. Наливаете вы в сосуд, он поднимается, опорожняет сосуд сам себя, то есть очень такая интересная жидкость. И он предложил использовать для гироскопа. Опять-таки, использовать это же свойство бозе-конденсации, что макроскопическая система, но очень чувствительная к малейшим вариациям, к малейшим изменениям: обращение Земли в магнитном поле, она тут же даёт большой ответ. И он это предложил использовать. Было довольно интересное предложение. И он говорит, что даже он общался с военными ведомствами американскими, что вы можете установить на подлодки такие устройства.

Потому что несмотря на то что нужно меньше, чем 2К по температуре, они всё равно были дешевле и чувствительнее, чем те приборы, которые использовались на этих подлодках, на что военное ведомство ему сказало, что мы за ценой не постоим, цена нас как-то не особо волнует.

Н. АСАДОВА: Военные ведомства, насколько я понимаю, вообще являются одним из главных спонсоров разработок многих научных, в том числе создание квантового компьютера, о котором сегодня мы говорим не будем, а мы хотели поговорить ещё про другую сферу применения в медико-биологических науках и здравоохранении. Как можно использовать?

Н. БЕРЛОВА: Тут тоже есть предложения. И в основном они связаны с терагерцовым частотным регионом. То есть мы хотим, чтоб у нас были лазеры, которые бы работали на такой частоте.

Н. АСАДОВА: Подождите, а этот лазер что делает?

Н. БЕРЛОВА: Это частота сигнала. Лазер – это синхронизированный поток частиц.

Н. АСАДОВА: Я имею в виду, что это тот лазер, который используют хирурги при операциях?

Н. БЕРЛОВА: Я хочу про саму концепцию. И тут применений может быть очень много. То есть как только у вас возникают излучатели такого терагерцового диапазона, то тут очень много новых свойств возникает, и в том числе есть сейчас предложение, чтобы использовать… Представьте себе такую футуристическую картинку, что доктор оперирует пациента, раковая опухоль, и у него в руке маленький обыкновенный такой лазер. Но этот лазер теперь разным цветом реагирует на опухоль и на здоровые органы.

То есть в результате операции тем самым доктор сможет действительно удалить все раковые образования.

Н. АСАДОВА: А как этот лазер понимает?

Н. БЕРЛОВА: Потому что он по-разному проходит через различные структуры.

Н. АСАДОВА: Сейчас такого не существует?

Н. БЕРЛОВА: Сейчас такого нет. Сейчас режут, идут в лабораторию, смотрят, какое расстояние до…

Е. БЫКОВСКИЙ: Если здоровые и плохие структуры отличаются тем, что они по-разному отражают, то тогда любой лазер должен… Возьмём красный лазер обычный, сколько там? 630 нм. Он же тоже должен тогда менять свои свойства при прохождении через разные среды.

Н. БЕРЛОВА: Это должен быть выделенный диапазон, который по-разному… Опухоль и не опухоль по-разному задерживают воду, и это именно тот диапазон, который даже содержание воды по-разному…

Н. АСАДОВА: А в таких вещах, как томография и так далее, можно использовать?

Н. БЕРЛОВА: Да, безусловно.

Н. АСАДОВА: А как там могут помочь люди?

Н. БЕРЛОВА: Вот эти лазеры могут детектировать, то есть могут… даже в секьюрити, например, вы проходите через детектор, сейчас он металлические… а здесь это можно будет керамический нож увидеть, если у вас скрининг будет проходить на основе терагерцовых излучателей.

Е. БЫКОВСКИЙ: То есть любой нож из любого материала? Как настроишь, то и покажет.

Н. АСАДОВА: Очень интересно. А где ещё можно это применять?

Н. БЕРЛОВА: Я почему начала с того, что фотоника – наука будущего? Сейчас все развитые страны объявили фотонику своей основной научной прерогативой, то есть основным научным направлением. То есть это Евросоюз, это и…

Н. АСАДОВА: Есть программа Евросоюза по исследованиям и инновациям Horizont-2020.

Н. БЕРЛОВА: Да, это рамочные программы, то есть на которые объявляется глобальное финансирование, должны быть участники из многих стран, то есть консорциумы должны формироваться, и будет длительное финансирование с 2020 года. И фотоника объявлена как основное прорывное направление.

Н. АСАДОВА: Россия участвует в этом?

Н. БЕРЛОВА: Вы знаете, в этой рамочной программе у неё есть некая форма участия, но это не основной партнёр.

Е. БЫКОВСКИЙ: Я думаю, что Наргиз не совсем об этом спрашивает, участвует ли она в какой-то определённой программе или нет.

Н. БЕРЛОВА: Есть ли что-нибудь у нас в России? Нет, сейчас фотоника объявлена одной из национальных идей. То есть, например, в июле этого года я участвовала в заседании правительства, где как раз обсуждалась роль фотоники в развитии России, то есть был установлен приоритет, Фонд национального достояния будет финансировать исследования…

Н. АСАДОВА: То есть получается, что такого же рода научная группа будет создана и в России на базе Сколково, получается, да?

Н. БЕРЛОВА: Да, и мы уже разговариваем с российской электроникой, есть большой интерес, их завод «Циклон», то есть уже есть интерес в том, что наши какие-то разработки проводили полную технологическую линию, доведя уже до каких-то конкретных устройств.

Уже создан большой консорциум университетов: это ИТМО, это Новосибирский государственный университет.

Е. БЫКОВСКИЙ: А какие именно устройства? Вы же по каким-то конкретным вещам с ними разговаривали?

Н. БЕРЛОВА: Да, теплодетекторы, излучатели опять в каком-то определённом диапазоне. Но, вы понимаете, тут ещё какая? Как только найден какой-то оптимальный материал, то есть мы же берём на себя что? Именно такую фундаментальную базу, замену элементной базы. То есть как только мы понимаем, что вот этот элемент найден, у нас есть прототип, то это будет работать для очень многих устройств. То есть как только вот этот шаг сделан, мы знаем, какие. Из этого всего зоопарка выбрали то, что нас устраивает. Мы смогли решить вот эти проблемы взаимодействия, скорости передачи, температуры и стоимости. Эти эффекты могут участвовать в очень многих приборах.

Н. АСАДОВА: Вы знаете, я хотела бы вернуться к вашей профессии математика. Всё, что вы говорите, как найти этот элемент, как подобрать правильный материал, правильно ли я понимаю, что прикладные математики чисто с помощью вычислений, с помощью алгебры, которая проверяет гармонию, таким образом этот поиск происходит, а потом уже на практике проверяете.

Н. БЕРЛОВА: Да. Здесь как бы такая граница между математикой и физикой очень размыта. Например, у меня факультет в Кембридже теоретической физики и прикладной математики. У нас есть ещё лаборатория Кавендиша. И бывший глава мне однажды сказал: Наташа, ты находишься в очень странном факультете, потому что теоретические физики слишком теоретические, чтобы называться физиками. А это у нас космология. Это Стивен Хокинг. Теоретические физики, космологи – они слишком теоретические, чтобы называться физиками. А прикладные математики – они слишком прикладные.

Е. БЫКОВСКИЙ: Прикладной математик – это вообще оксюморон.

Н. БЕРЛОВА: А прикладные математики слишком прикладные, чтобы называться математиками, потому что у нас эксперименты, всё, что касается гидродинамики, квантовой механики.

Е. БЫКОВСКИЙ: Фактически вы с ними поменялись ролями, получается.

Н. БЕРЛОВА: Да, сейчас идут странные процессы. И мой интерес… я подхожу с той точки зрения, что есть система, и я хочу её промоделировать, я хочу её описать математическим языком. Как только это происходит, и что происходит? Пишутся какие-то уравнения, которые это всё описывают. Идёт эксперимент, идёт некое такое понятие, что нужно добавить в эти уравнения, что-то убрать, чтобы схватить эту физику, которая это всё демонстрирует. Потом как это сделано, у меня есть система, мне в принципе эксперимент уже не нужен, если у меня есть система, математический аппарат, который всё это описывает. Теперь я могу делать эксперимент на базе этого математического аппарата гораздо быстрее, гораздо дешевле. И тут уже можно моделировать, смотреть, какие состояния можно создать, как они будут распространяться, какой феномен можно получить.

Н. АСАДОВА: Это всё просчитывается.

Н. БЕРЛОВА: И это всё просчитывается. Как только всё это описано математическим языком.

Н. АСАДОВА: Это удивительно. А скажите, сколько людей в вашей группе сейчас в Сколково работает?

Н. БЕРЛОВА: В Сколково сейчас у меня только 3 человек плюс один…

Н. АСАДОВА: Я так понимаю, что это начало? То есть вы планируете что-то создать. А что это будет?

Н. БЕРЛОВА: То есть у меня в Кембридже один постдок, который из Сколтеха, он сейчас заведует именно… производит эксперименту. То есть надежда такая, что как только он там закончит, научится всему, приедет в Сколково, и тут уже будет тоже экспериментальная база. Пока у нас даже ещё зданий нет. Поэтому пока устанавливать куда-то оборудование нам тяжело. То есть пока все эксперименты осуществляются в Кембридже.

И там тоже есть аспиранты, есть постдоки. Идёт взаимодействие между двумя группами. Но со временем будем наращивать группу здесь, потому что задач очень много.

Н. АСАДОВА: А скажите, пожалуйста, Наташа, а за последнее время какая была самая выдающаяся статья про какие-то открытия в вашей области, чем вы занимаетесь?

Н. БЕРЛОВА: Если даже конкретно про поляритоны, я упомянула эту проблему, что на неорганических полупроводниках нам нужны очень низкие температуры. Потому что вот эта энергия связанного состояния очень маленькая. И поэтому термальная энергия, комнатная температура просто разрушает нежные эфемерные создания, которые я вам нарисовала.

Но где-то в январе-феврале было опубликовано две статьи, которые сразу вышли в Nature Materials, одна из IBM-группы в Цюрихе, другая Imperial College, Лондон, которые смогли вот эти состояния – поляритоны и бозе-конденсацию поляритонов получить на органических полупроводниках. А на органике вот эти свойства экситонов эти энергии очень большие, и их разрушить не так просто.

Н. АСАДОВА: Послушайте, а мы не знаем ничего про органические полупроводники.

Н. БЕРЛОВА: Полимеры, например. То есть как помните, мы учили в школе, сначала всё хорошо, всё просто, H2O, а потом аргон пошёл, какие-то цифры большие C10H20 и так далее. То есть полимерные уже полупроводники, то есть очень тонкий одноатомный слой напыляется. Такие же эти зеркала-отражатели, но из-за того что это органика, то есть именно красота этих работ – то, что была получена бозе-конденсация, то есть вот это макроскопическое состояние, то есть эти поляритоны действительно сидели в одном и том же состоянии на самом низком уровне по энергии. Это открывает уже возможности того, что действительно на основе вот этих полупроводников уже можно сделать действительно приборы, которые будут работать при комнатной температуре. И теперь можно делать ещё другие вещи. То есть, например, у них такая была оптическая накачка не очень удобная, хорошо бы делать накачку электронную: то есть опять разность потенциалов, и всё понеслось, создаются эти частицы. Это было бы гораздо удобнее.

То есть в этом направлении можно двигаться, можно делать гибридные. Сейчас ещё новый термин, который тут произносил в этой студии или нет – гибридная фотоника.

Е. БЫКОВСКИЙ: В этой студии даже слово «фотоника» ни разу не звучало.

Н. БЕРЛОВА: Слушайте, как хорошо. Просто с почином вас. А уже гибридная фотоника, то есть когда уже комбинации между органическими и неорганическими полупроводниками.

Н. АСАДОВА: А этим кто занимается?

Н. БЕРЛОВА: Этим занимаются уже в Англии. Есть очень сильные группы в университете Саутхэмптона, IBM в это очень сильно вкладывается. У нас есть надежда, что эти люди тоже приедут и будут участвовать в Сколково. То есть сейчас идут как раз беседы с ними, то есть мы очень хотим, чтобы у нас тоже была лаборатория по гибридной фотонике на базе Сколтеха. Одно из очень таких обнадёживающих направлений.

Н. АСАДОВА: А что с чем сочетают в этой гибридной фотонике?

Н. БЕРЛОВА: Это неорганический, то есть какой-нибудь арсенид галлия, то есть стандартный полупроводник, который в микроволновых печах у нас, то есть это такой. И когда его начинают сочетать с органическими полупроводниками, то тогда возникают… То есть с одной стороны по-прежнему комнатной температуры может быть из-за органической примеси, и в то же время можно уже более.. то есть, во-первых, сейчас те работы, которые я упомянула, там вот эти органические полупроводники дают очень потенциал… нечистая система, то есть очень тяжело понять, много ли у вас конденсатов, в такие ямки он попал от глобального потенциала.

То есть хотелось бы, чтобы это было такое очень контролируемое, очень гладкое и чтобы можно было, например, делать электронную инъекцию, чтобы можно было… а это возможно именно с неорганическими полупроводниками. То есть как только мы соединяем вот эти два направления, то есть мы получаем преимущества и от одного, и от другого. То есть так же как мы, соединив электроны и фотоны, получили что-то новое, что от обоих миров забрало самое лучшее.

Н. АСАДОВА: 2 минуты до конца эфира остаётся. У меня традиционное вопрос про предсказания. Скажите, как вам кажется, через сколько лет реально получить какие-то первые приборы бытовые, те же компьютеры, те же лазеры, которые используются в медицине на основе фотонов?

Н. БЕРЛОВА: В течение следующего года уже будут какие-то наработки, в течение следующих 10 лет уже плотно войдут эти устройства, я думаю, в нашу жизнь. И это не только моё предсказание, это предсказание стратегических агентств Америки, что через 20 лет 35% всех потребительских приборов будут на основе фотоники.

Н. АСАДОВА: Удивительно. И, наверное, IBM будет одной из первых компаний, которые сделают наиболее быстрые.

Н. БЕРЛОВА: Ну, хотелось бы, чтобы Сколтех.

Е. БЫКОВСКИЙ: Может, Сколтех.

Н. АСАДОВА: Просто мы тут всё время говорим, потому что в IBM есть, она занимается направлением, вкладывает большие деньги. Кстати, по поводу больших денег. Тогда Василий Перебейнос рассказывал нам, что существует две компании – Intel и IBM, которые делают самые большие денежные вливания в такого рода фундаментальные разработки. И вообще можем мы соперничать с этими ребятами глобальными?

Н. БЕРЛОВА: Вопрос не в том, можем ли мы, а вопрос – должны ли мы? Мы просто обязаны. Сейчас просто идёт передел рынков. То есть не участвовать в этом – преступление. Тем более что в России есть эти наработки, есть эти группы, поэтому сейчас такая критическая развилка.

Н. АСАДОВА: То есть у нашей страны есть сейчас возможность перехватить инициативу.

Е. БЫКОВСКИЙ: На этом фронте, наверное, да.

Н. АСАДОВА: Пожелаем же нам успеха в этом деле. К сожалению, передача наша подошла к концу. Я благодарю нашу гостью Наталью Берлову, декана Сколковского университета науки и технологий. С вами были Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе», и Наргиз Асадова. Я надеюсь, вам было интересно узнать про наше будущее.

Н. БЕРЛОВА: Спасибо.

Е. БЫКОВСКИЙ: Наверняка всем было интересно. Удачного конца воскресного дня. Счастливо.

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook1Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK