Нет, эта статья не про фантазии автора, патриотические песни или популистские размышления на тему. Это рассказ о том, как оно есть на самом деле. Как в одном конкретном ВУЗе создали условия, благодаря которым работать в нём вернулись те самые «утекшие мозги», уехавшие во всем известные времена заниматься наукой где угодно, где за это платили и где было современное оборудование. Но почему-то сейчас они приехали обратно, построили себе новые лаборатории, обучают студентов и продолжают заниматься любимым делом.
Вы сразу можете подумать: «Так это, наверное, какой-то ВУЗ особенный!» Возможно, но я не знаток вузовских рейтингов, поэтому расскажу только про то, что видел сам.
Итак, сегодня речь пойдёт про научные лаборатории в Московском Физико-Техническом Институте. Можно ли сделать что-то подобное в любом другом? Это вопрос к управляющим на местах. Может быть, уже и сделано, просто я был именно здесь и за всех остальных говорить не могу.
Изначально занесла меня нелёгкая в МФТИ с целью сделать нечто вроде обзорной экскурсии, но быстро выяснилось, что есть тема намного интересней: научная деятельность прямо в институтских стенах. Вот про неё мы и поговорим.
Сегодня мы с вами посетим лабораторию искусственных квантовых систем, лабораторию топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах и лабораторию терагерцовой спектроскопии. А по пути побеседуем с их обитателями о том, как появились эти лаборатории, чем занимаются и что скрывается за этими красивыми названиями — просто громкие термины или передовая наука.
Внимание! Под катом развесистый лонгрид. Я предупредил.
С чего всё началось или немного теории
Как обычно, началось всё с денег. Кто бы и что бы вам ни говорил, а фундаментальные исследования стоят денег. Огромных денег. Титанические, я бы даже сказал, должны быть объёмы финансирования. Забудьте байки о том, что физикам достаточно карандаша и блокнотика. Эти времена давно в прошлом, даже если мы будем рассматривать самых прожженных теоретиков. Сейчас им необходимо дорогое оборудование и много вычислительных мощностей.
Возникает справедливый вопрос: где же взять средства на всё это великолепие? Ответ будет несколько неожиданным для тех, кто получил диплом лет 10 назад. Они сейчас очень удивятся, ибо происходящее сегодня в ВУЗах можно охарактеризовать только как «Учись — не хочу». В нынешних реалиях множество частных компаний заинтересованы в максимально плотном сотрудничестве с институтами. И пока все вокруг жалуются, что уровень образования упал до плинтуса, самые прозорливые догадались, что ловить пьяненьких студентов после выпускного, соревнуясь в ловкости с военкоматом — дело не слишком выгодное. А вот если приходить сразу в ВУЗ и там уже учить как надо тебе и твоей компании, то у появляются неиллюзорные шансы получить себе не просто самых умненьких, а сразу готовых к работе с первого дня джунов. А остальные пусть на хэдхантере себе счастья ищут.
Поэтому сейчас в институты вливаются частные деньги. Не самая малая их часть, кстати, — это спонсорская поддержка от тех, кто лет 30 назад выпустился, добился успеха в жизни и теперь может поддерживать любый alma mater. И речь здесь идёт не про тысячи, и даже не про рубли.
Поэтому в любом ВУЗе (руководству которого не наплевать, естественно) сейчас проводится уйма курсов и факультативов. Практически все они ведут к последующему найму тех, кто относится к ним с известной степенью прилежности. А на случай острого желания, кому и этого мало, бывают даже занятия прямо в офисах компаний (наша Veeam Academy — отличный тому пример). Некоторые пошли ещё дальше и уже открыли целые кафедры имени себя, или попросту финансируют и работают с уже существующими. Я уверен, что большинство компаний-обладателей корпоративного блога на Хабре в той или иной степени взаимодействуют с университетами. И всё это, как вы догадываетесь, тоже не за спасибо но, разумеется, к обоюдной выгоде. Так что если вы думаете, что завтра придёте с предложением провести семинар-другой на интересную вам тему, и вас будут ждать с распростёртыми объятиями, то всё далеко не просто так. За доступ до юных дарований нынче надо платить, и порой весьма не дёшево.
Другой вариант получения денег — это государственные гранты. Как ни странно (табличка сарказм, да), но в наши дни государство готово тратить деньги на науку. Просто происходит это в рыночном формате: «У нас есть два чемодана денег, мы готовы вам их отдать, только объясните чем именно вы будете заниматься и какая нам(государству) с этого будет польза». Я не берусь обсуждать эффективность рыночных механизмов вместо плановых, или гадать, куда в итоге тратятся деньги, но то, что деньги есть и их можно получить, это состоявшийся факт. Для сомневающихся есть интересная статья на РБК.
Но почему же так мало известно про подобные исследования, на которые выделяются все эти деньги? Ответ кроется в коммерческой тайне. Большая часть современной науки делается не в рамках одной лаборатории, которая кому-то там принадлежит и может запросто рассказывать о своей деятельности. Существуют целые консорциумы, в том числе и частные, ведущие несколько смежных проектов, которые не очень-то подлежат огласке. И вот в эти проекты и вовлекаются конкретные лаборатории, где есть необходимое оборудование, и что ещё важнее — светлые умы, умеющие с ним работать.
Но и это ещё не всё! У каждого профессора с более-менее известным именем, заведующего подобной лабораторией, есть масса аффиляций, ради которых ему надо быть крайне осторожным в своих высказываниях. Поэтому всё покрыто завесой тайны, просто чтобы случайно не сказать лишнего. Хотя какие-то самые общие вещи никто не скрывает и достаточно просто спросить.
Откуда на физтехе появились научные лаборатории
Теперь посмотрим, что происходит именно в МФТИ. Лаборатории здесь начали строить довольно недавно. До этого в стенах самого института никакой научной работы фактически не происходило.
Поясню: как в советское время студент мог приобщиться к научной работе? Тогда существовали некие отраслевые институты и организации, где студенты могли проводить свои научные работы одновременно с учёбой на физтехе. Потом, на основе этих работ, они писали свои дипломны, выпускались и уходили работать в эти же отраслевые институты или ещё куда-то. То есть научная работа проводилась отнюдь не в стенах института, где учился студент.
После известных событий в девяностых было принято решение о перенятии западного опыта, и правительство постановило открывать научные лаборатории прямо в институтах. Это ни хорошо, ни плохо, но указание есть, а значит, надо начинать строить лаборатории прямо в ВУЗах. Хотя для студентов всё же хорошо — ходить никуда не надо и всё под боком.
Помимо выдачи ЦУ, властьимущими была запущена программа 5-100, в рамках которой должен быть поднят именно научный уровень(и, как следствие, престиж) наших ВУЗов на международной арене. Проект был запущен в 2015 году, реально заработал в 2016-17. И можно сколь угодно долго упражняться в злословии (и придумывать ещё более едкий комментарий, чем у соседа), однако результат налицо. В научных кругах возможность открыть свою лабораторию обставленную новейшим оборудованием, которое подбираешь ты сам — не тот случай, который можно игнорировать.
Итог: возвращение в страну специалистов с именем и запуск научных изысканий, в том числе в фундаментальных областях. Для сомневающихся будет масса пруфов с разнообразным экспериментальным оборудованием, на котором ценники, конечно, не висят, но стоит оно зачастую и не миллион, и не два, и даже не рублей. А ещё его надо привезти, включить, настроить, обслуживать и так далее. Да и просто заметно, что это всё новое — а не перекрашенное наследие СССР.
Как студент попадает в этот научный рай?
Обычно в лаборатории ребята приходят на 4-5 курсе. Пишут дипломы, а с точки зрения лаборатории — работают. Получается, что каждый отдельный дипломный проект — это часть какого-то большого научного проекта. И то, что для студента может выглядеть как обычная донастройка прибора для повышения качества выполнения одной конкретной операции, для проекта в целом может стать важной частью исследовательского процесса.
И что, спросите вы, любой условный студент Иванов может попасть в одну из этих чудо-лабораторий? И да, и нет. Во-первых, конечно же, наполняемость каждой лаборатории ограничена чисто физическими возможностями экспериментального оборудования. Если есть много теоретической работы, то возможности по набору будут намного шире. Но как показывает практика, студентам больше нравится ручки крутить, чем корпеть над формулами. Поэтому в бой вступают чисто механические вещи вроде зачётки, а также личные беседы с каждым желающим с целью выявления уровня мотивации. И никто не отменял CV, где студент пишет, что умеет, чего хочет и в каких проектах уже участвовал (не обязательно научных, ему просто надо показать свою активную жизненную позицию).
Если всё хорошо, то ему даётся пробная задача, которая делается под тщательным надзором и с активной помощью старших товарищей. Если получается хорошо — человек остаётся. Прямо как у нас в IT с джунами, только лишь с той разницей, что здесь огонь в глазах может погаснуть уже спустя пару визитов, и студент сбежит без бумажной волокиты. «Испытательный срок» здесь примерно месяц, но обычно ребята понимают, куда идут и почти все остаются.Ну и свою роль играет то, что во многие лаборатории берут не ниже чем бакалавров.
Чем будет заниматься новоприбывший? Обычно это несложные задачки на моделирование каких-то процессов, которые легко выполняются на компьютере, и легко проверяются/контролируются. А с практической точки зрения это классическое дай/подай: что-то спаять, записать показания, проконтролировать ход эксперимента, немного покрутить крутилку и т.д. Задач много, теорий для проверки ещё больше, а рук всегда мало. Если видят, что хорошо получается и огонь в глазах не угасает, то уже с научным руководителем разрабатывается эксперимент и начинается переход от моделирования процессов на компьютере к их проверке на живом оборудовании. В итоге это выливается в дипломную работу.
Внутри МФТИ это называется «стиль физтеха». Если в других институтах диплом может быть чисто теоретическим изысканием на описательную тему, то на физтехе это всегда научная работа, проверенная экспериментально.
История успеха от первого лица
(рассказ as is от одного из студентов — прим. ред.)
Я попал в эту лабораторию(лаборатория искусственных квантовых систем) в самом начале — в шестнадцатом году. После третьего курса на физтехе подразумевается, что ты четыре дня в неделю занимаешься практикой и пишешь диплом. Несколько пар в неделю, вроде английского и философии, а дальше тебя не трогают: сиди, занимайся научной работой и пиши диплом. Я сходил в семь лабораторий. Не только на физтехе, но и в каких-то базовых организациях. Начал собеседоваться и пробовать работать. В то время собеседовали везде по-разному. Где-то с порога заставляли решать задачи, давали «крепкие орешки» на дом, а где-то просто ограничивались вопросами в рамках институтских курсов по тематике лаборатории и показывали оборудование. Так что выбирал в итоге просто по личному интересу. А тут меня захватила не только сама тема квантовых компьютеров, но и молодой дружный коллектив (гусары, молчать! — прим. ред.) и новая лаборатория с явными перспективами в новой отрасли, за которой будущее. Но это по сравнению с уже укомплектованными лабораториями, конечно же.
Лаборатория искусственных квантовых систем
В этой лаборатории под руководством профессора Олега Астафьева был создан первый в России сверхпроводящий кубит — основной элемент будущих квантовых компьютеров. Потом был создан двухкубитный модуль, квантовый чип со звуковым (фононным) резонатором и проведено огромное количество смежных работ с последующими публикациями. На сайте лаборатории есть раздел новостей с отличной подборкой материалов. Всем интересующимся — ознакомиться строго обязательно.
Сама лаборатория считается очень успешной и пользуется большой популярностью у студентов. Более того, она участник образовательной программы профессора Физтеха Валерия Рязанова, нацеленной на подготовку студентов в рамках работ с квантовыми технологиям. Сама программа — совместное детище Физтеха и Сколтеха, поэтому часть студентов уезжает потом в Сколтех. Но это не “обрубание концов”, а обмен опытом. Ребята продолжают посещать совместные мероприятия и плотно взаимодействуют в своих исследованиях.
“Стоп-стоп!” — воскликнете вы. — “Intel, Google и прочие уже давно рапортовали кто про двадцать кубит, кто про пятьдесят, а некоторые так и ещё больше, в чём же здесь тогда успех и где гордость?” Вот в этом и проблема: никто из этой индустрии делиться с нами своими технологиями не будет. Даже за очень много денег. Особенно если это коммерческая компания. И чем сильнее улучшается технология, тем меньше информации будет публиковаться в научных журналах. Если не верите, то попробуйте поискать публикации по обычным полупроводниковым процессорам. Чем новее изделие, тем меньше конкретики о нём будет доступно. Поэтому здесь есть только один путь — брать и делать с нуля самим. Да и сами кубиты ввиду своей квантовой природы — штука очень относительная и требующая отдельной доработки. Технологии только отрабатываются, какая окажется наиболее правильной и у кого получится лучше, на данный момент не известно.
Давайте теперь пройдёмся по самой лаборатории. Вот в этом криостате и находится образец при температуре 0,01 °К (да, одна сотая Кельвина). Практически абсолютный ноль, но современные криостаты могут выдавать и ещё меньше. Можно сказать, что образец и есть тот самый кубит. Но кубит вещь больше описательная, а образец — это вполне конкретные электрические цепи, ёмкости, индуктивности и всеми любимые нелинейные элементы. И основной смысл разработки — это собрать всё на чипе так, чтобы получилась искусственная квантовая система, работающая при низких температурах.
Но мало такую систему собрать. Ещё надо научиться как-то управлять её состояниями. Например, возбуждать её таким образом, чтобы она переходила в состояние суперпозиции. И самое важное — надо уметь связывать вместе эти системы т.е. наладить между ними каналы связи.
Вот так выглядит двухкубитная система: здесь один крестик — это один кубит. Масштаб на последних фото — сто нанометров. Если уж говорить совсем точно, то не только сами крестики, а и то что вокруг них это часть кубита. Даже перемычка между крестиками, Джозефсоновский контакт, тоже считается частью кубита. В этой небольшой перемычке и заключена вся соль исследований. Если рассматривать кубит сам по себе — это, несомненно, очень интересная штуковина, но она замкнута сама на себя, без возможности связываться (читай обмениваться фотонами) с соседними. В таком виде пользы от него довольно мало. Поэтому надо понять, как располагать их на чипе, какие добавить устройства для обеспечения связи и как сделать эту связь эффективной. А ещё все эти процессы надо как-то контролировать, чтобы, например, выключить его и получить состояние суперпозиции или запутать два кубита. При наличии ответа на эти вопросы мы получаем программируемый двухкубитный квантовый процессор.
Опять же, вернёмся к изначальному вопросу — почему действительно важно вести свои исследования квантовых технологий? По понятным причинам стартовали мы намного позже, чем остальной мир. Но уже был реализован большой проект с участием разных организаций, цель которого — создать базис для дальнешйего развития квантовых технологий. После того, как основы были заложены, появилась реальная возможность для последующих интеграций. И два кубита — это уже существенный шаг на пути интеграции бо́льшего количества.
А что в итоге и какова цель этих исследований? Процессор из 100500 кубитов и мировое господство?
Целей несколько. Конечно же, хочется создать универсальный процессор, который будет решать любую из уже существующих задач. Плюс новые, которые будут появляться по ходу развития и которые не подвластны имеющимся процессорам, но легко решаются в квантовом мире. Если говорить точнее, то уже сейчас есть задачи, с которыми квантовый компьютер справляется лучше классического кремниевого (т.е. ответ получается за полиномиальное время). Но в то же время есть класс задач, в которых всегда выигрывает классический компьютер. Но не надо забывать, что существуют алгоритмы, где оба вида компьютеров показывают схожие результаты (за полиномиальные ресурсы). Также остаются задачи, которые ни один из этих компьютеров не способен решать за полиномиальное время.
А теперь, давайте подумаем, какая главная сложность нас ожидает, если мы решились работать с кубитами? Для выполнения сложных вычислений, надо научиться делать операции над данными непрерывно, без потери когерентности кубитов, без нарушения состояния и т.д. Сложность выполнения этих условий лежит в относительно малом времени жизни самих кубитов т.е. времени, в течение которого он не успевает рассеять хранимую информацию в окружающую среду. Процесс рассеяния очень похож на стекание заряда с ячейки хранящей 1 бит, в подложку или на соседние структуры, на чипе современных RAM.
Как вариант, некоторые исследователи пытаются сопрягать маленькие ячейки кубитов с обычными компьютерами, чтобы построить гибридную систему. Другие пробуют сделать так называемый адиабатический компьютер, который выполняет не произвольные операции, а медленно двигается из нужного начального состояния в ожидаемое конечное (оптимизация с большим числом минимумов). В начале 10-х на этой волне здорово поднялись D-Wave.
Конечно же, сразу хочется просто масштабировать количество кубитов, чтобы корректировать ошибки за счёт массовости. многие сейчас именно так и делают. Но увеличение числа кубитов влечёт накопление погрешности, круг замыкается, и эта история уже сейчас видится не самой удачной. А вот сделать два стабильных, предсказуемо взаимодействующих кубита — это как построить простейший процессор для отработки базовых операций. Поэтому все исследования в этой области — это разработка элементарной базы из которой будут построены более сложные системы.
Если попытаться охватить всё вместе — это один большой проект, в котором участвует много организаций, и работы ведутся не только в МФТИ, где уже сейчас доступен полный цикл фабрикации кубитных схем, от идеи до измерений, но и в лабораториях Сколтеха, МИСиС, ИФТТ РАН в Черноголовке, МГТУ им.Баумана и других ВУЗов. Как мы видим, проект чисто инженерный и нацелен на то, чтобы сделать квантовый вычислитель и квантовый компьютер. Тем не менее, не стоит забывать и про научную составляющую. Сверхпроводящие кубиты это, фактически, искусственные атомы макроскопических размеров (порядка 5 ), параметры которых можно варьировать по желанию, в отличие от атомов имеющихся в природе. Это даёт возможность изучать интереснейшие фундаментальные эффекты, ранее недоступные в других областях. За последние три года в лаборатории было получено много положительных результатов, поэтому исследования в этой области будут продолжаться. И хоть первый в мире сверхпроводящий кубит был сделан в 1998 году, то первая нормальная двухкубитная операция была показана спустя почти 10 лет. А нашим учёным удалось пройти этот путь за три года. Так что здесь мы не потихоньку, а довольно быстро догоняем остальных.
Правда, есть опасность увлечься и начать делать как все. Как уже говорил ранее — есть немало скепсиса, что сложные системы заработают именно так, как сейчас пытается делать большинство. Некоторым исследователям не хочется по десять лет возиться в попытках настроить массовую технологию и пытаться увеличивать количество кубитов. Им гораздо интереснее извлечь пользу из квантовых технологий здесь и сейчас. Например, можно немного изменить архитектуру в угоду решения более узких задач. Самих квантовых алгоритмов, как вы наверняка знаете, довольно мало, а самых известных — так и всего три (алгоритмы Шора, Гровера и Дойча-Йожи). Поэтому, может, и не надо гнаться за супер-когерентностью кубитов, а разумнее будет использовать слабо когерентные кубиты, но выстроенные в такую цепочку, что в рамках определённой задачи она будет давать крайне интересные результаты. Задачи оптимизации, поиска минимумов и им подобные ждут — не дождутся таких систем.
Но вернёмся к экскурсии: в помещении лаборатории находится сразу два криостата растворения, куда помещаются образцы с кубитами. Оба работали (для справедливости заметим, что второй принадлежит другой лаборатории), так что внутрь заглянуть не удалось. Состоит этот криостат из нескольких контуров охлаждения, по которым компрессор гоняет смесь двух изотопов гелия. Его использование обусловлено сохранением газообразного состояния до самых низких температур. В конце, при достижении температуры около 4° К, гелий переходит в жидкое состояние, и начинаются процессы фазовых переходов, для которых требуется поглотить энергию извне. За счёт этого и происходит охлаждение.
Теперь давайте немного поговорим про сами эксперименты. После охлаждения объекта с кубитами до рабочей температуры в первую очередь надо найти сам кубит, т.е. определить где он и какая у него энергия. Для этого снимается спектроскопия разного типа. Например, подают магнитное поле через несколько источников тока, и наблюдают, как на него реагируют отдельные элементы. Напоминает электротехнику, т.к. там есть и своя распределённая ёмкость, и свой LC-контур. Только контур этот очень маленький и с очень нелинейной индуктивностью, которая перестраивается магнитным полем. Эта индуктивность — так называемые Джозефсоновские переходы — туннельные контакты между двумя сверхпроводниками. Значит, меняя магнитное поле, мы изменяем энергию кубита и можем перестроить его частоту. А перестраивая его частоту, можно смотреть, что происходит на разных энергетических уровнях. Благо кубит — это всё ещё не строго 0 и 1, а многоуровневая система.
А в этом прозрачном шкафу, как можно заметить, хранятся те самые кубиты. Шкаф не простой, а вакуумный. В правой нижней части виден вентиль для откачки воздуха. Наверху ещё стоит манометр для контроля давления, но он на фото не влез.
Вот так выглядит график одного из исследований. В систему отправляют непрерывную электромагнитную волну, и смотрят на коэффициент прохождения. Если частота волны совпадает с какой-то из собственных частот системы, на графиках отрисовываются линии соответствующие спектрам кубитов. Здесь по вертикали отложена частота сканирующей волны (посылаемая энергия), а по горизонтали — изменение магнитного потока через оба кубита сразу. По итоговым графикам судят о произошедших в системе переходах. Здесь линия 01 — это переход из основного состояния системы в состояние, где у первого кубита будет 1, а у второго 0. Зелёная линия — это переход второго кубита из 0 в 1. Бывают некие смежные переходы из состояния 00 в состояние 11. (Здесь плохо видно, но эта линия находится между двух предыдущих.) Но это ещё не полноценное выполнение логических операций, а только описание характеристик системы. После подбора параметров (величины магнитного потока и т.д.) можно уже пробовать выполнять какие-то операции. Делается это с помощью коротких электромагнитных импульсов, а состояния кубитов считываются с помощью томографии.
Томография — процесс нетривиальный. Грубо говоря, весь процесс эксперимента “от и до” выглядит так: сначала подаются все возможные состояния для двухкубитной схемы, потом производится изучаемая двухкубитная операция, и считывается результат. Затем эксперимент повторяется много раз, и появляется описание, как исследуемый объект преобразует все входные состояния. Затем результаты сравниваются с рассчитанными теоретически, и получается эффективность произведённой операции. Это и есть томография, в результате которой получаются такие графики. Слева теоретические значения, справа практические. (Визуально может показаться, что погрешности небольшие, но это не так.)
Но ни одним процессором и практическими работами жива лаборатория! Никто не отменял научную деятельность, такую, как направление квантовой акустики. Это направление изучает поведение механические волн на поверхности пьезоэлектрика. По своей сути это примерно то же самое, что и в квантовых компьютерах — т.е. взаимодействие излучения с искусственным веществом, только излучение здесь акустическое, а не электромагнитное. Основной интерес в том, что это акустическое возбуждение (механическая волна) тоже состоит из квантов (фононов) и есть возможность манипулировать именно на уровне отдельных фононов.
И никак нельзя молчаливо пройти мимо хайповой темы угрозы существующим алгоритмам шифрования. Да, отчасти всё правда — квантовый компьютер сделает бессмысленными все алгоритмы, завязанные на факторизацию простых чисел. Появившийся в 1994 году алгоритм Шора, позволяющий разложить число на простые множители, тому виной. Но эта история больше теоретическая, чем практическая. Во-первых, люди занимающиеся шифрованием, тоже не дураки и уже сейчас разработаны и внедряются технологии так называемого квантового шифрования. И не где-то в подземных лабораториях, а на уровне банков и госучреждений.
Во-вторых, чтобы расшифровать даже банальный RSA 4096, нужен очень хороший и очень стабильно работающий квантовый компьютер, который сейчас существует только в теории. Но даже если предположить, что его неожиданно сделают вот буквально завтра, то послезавтра мы перейдём с 4096 на 8192, и такой переход будет нам стоить намного дешевле, чем разработка соответствующего квантового компьютера. И опять же, есть очень много вопросов, на какой скорости это квантовый компьютер сможет проводить дешифровку. Вполне может оказаться, что частая смена ключей вполне сносно обезопасит информацию, ценность которой только здесь и сейчас. Так что спать можно относительно спокойно.
Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих квантовых системах
В этой лаборатории изучают квантовые эффекты в гибридных сверхпроводящих устройствах и системах. Даже, скорее, в предтечах будущих устройств. Здесь исследования ведутся на объектах, которые, представляют собой сгруппированные в некие структуры атомы. Объекты эти могут быть как самоорганизованными (т.е. полученными в ходе естественных процессов роста), так и рукотворными (т.е. полученными методами электронной литографии или другими).
Эти объекты в лаборатории изучают методами зондовой микроскопии на атомно-силовом и сканирующем туннельном микроскопах (АСМ и СТМ), при температуре 4° К.
В результате появляется понимание фундаментальных свойств исследуемых объектов. Если совсем на пальцах, то процесс выглядит так: у химиков получается создать какую-то новую структуру (материал, вещество), свойства которой невозможно ни предсказать, ни рассчитать (о причинах чуть ниже). Её привозят сюда, охлаждают и смотрят, как будут меняться её свойства при различных воздействиях. А в результате может оказаться, что известная на сегодня теория в данном материале не работает или требует уточнения. Само по себе это не самоцель данных исследований, но такая вероятность существует, и надо её учитывать.
По сути, весь прибор (основная рабочая часть АСМ, находящегося в лаборатории, ) изображён на фото. Это вставка, устанавливаемая в криостат, а на её конце находится атомно-силовой микроскоп. Сканирующая игла и образец, если уж совсем точно. Сам прибор в сборе изображён на фото ниже.
Криостат работает по принципу холодильника замкнутого цикла, охлаждаясь от комнатной температуры до 4° К. Не надо ничего подливать или подкручивать — кнопку нажал, подождал сутки и работаешь бесконечно долго, пока не приходит время сервисного обслуживания моторов и других механических деталей. Сам образец располагается на медной пластине, а сверху устанавливается сканирующая игла. И тут важная деталь: помимо изучения топографии поверхности образца, можно изучать ещё и различные электронные, в том числе сверхпроводящие свойства, которые проявляются в виде диамагнитных сигналов. Ну и, грубо говоря, тут начинаются «чудеса»: исследователи фиксируют квантование магнитного потока, Мейсснеровские токи, магнитные домены и разные комбинации этих процессов.
И вот в их комбинациях как раз и заключается самое интересное. Например, в материалах, синтезированных четыре года назад, а именно в сверхпроводящих ферромагнетиках, были обнаружены Мейсснеровские домены. Без преувеличения, это новый класс материалов, где сосуществуют явления, которые, на первый взгляд не могут уживаться в одном материале. Как известно, сверхпроводимость разрушается в присутствии магнитного поля. То же самое происходит, если сверхпроводник перемешать с ферромагнетиком: обменное поле ферромагнетика разрушит сверхпроводимость, которая поддерживается куперовскими парами (это когда у двух связанных электронов спины с разным направлением вращения). А если поместить куперовскую пару в обменно поле ферромагнетика, последнее будет стремиться развернуть спины в одну сторону и тогда, соответственно, сверхпроводимость должна разрушаться. Но, оказывается, что существуют материалы где эти два антагонистических явления спокойно сосуществуют! Вот так вот мало мы пока знаем про сверхпроводимость и о том, как её создавать искусственно.
Ферромагнитные сверхпроводники — это не единственное исключение, подтверждающее правило. Всё больше и больше появляется материалов, разрушающих наши привычные представления о существовании сверхпроводимости. Значит, всё идёт к тому, что теория будет дополнена и мы научимся делать искусственные сверхпроводники сложных составов, которые смогут работать чуть ли не при комнатных температурах. А пока наука потихоньку двигается к намеченный цели, и самый «тёплый» сверхпроводник наших дней может работать при 250° К, правда пока только при высоких давлениях. При нормальном давлении сверхпроводимость обнаружена в керамических материалах при температуре выше азотной (77° К) и вовсю используется в тех же медицинских томографах.
Но цель лаборатории — не просто исследовать новые необычные сверхпроводники и гибридные системы на их основе, а изучать фундаментальные физические свойства этих объектов. Ибо для технологического прорыва сначала нужен прорыв фундаментальный. А, как известно (ладно, это известно далеко не всем), пока не существует единой теории ни сверхпроводимости, ни магнетизма. Сие отвечает на вопрос, почему же товарищи химики не могут предсказывать свойства материалов и почему их приходится изучать экспериментально. Кстати, квантовый компьютер из соседней лаборатории отлично бы справлялся с этой задачей, но его ещё не построили =)
Возникает вопрос — почему же подобные фундаментальные исследования производятся на столь миниатюрных объектах, что приходится использовать зондовые микроскопы? Почему нельзя взять, наделать образцов размером с гирю и делать с ними, что душа пожелает? Главный ограничитель — это квантовый предел, когда в веществе проявляются именно квантовые эффекты, а не эффекты макромира вроде закона Кирхгофа. А как известно (теперь уже точно всем), квантовый мир работает по своим правилам, и нередка ситуация, когда что-то наизмеряют, а потом долго пытаются понять, что же это было. Поэтому, когда удаётся понять, как работает один элемент, его свойства можно масштабировать до микромира. А что потом делать с этим материалом, это уже будут решать ответственные за технологии.
А это старший брат первого микроскопа — сканирующий туннельный микроскоп, с намного более высокой чувствительностью. Установлен на пневмоподвеске (стоимостью с хорошую машину), но всё равно во время проведения экспериментов рядом с ним нельзя громко говорить, топать по полу и хлопать дверями. Эта установка позволяет достичь атомного разрешения, т.е. показывает уже отдельные атомы, и можно увидеть влияние дефектов кристаллов на плотность электронных состояний. Но будет ошибкой думать, что можно просто загрузить исследуемый образец и получить красивую картинку. Можно влёгкую целый месяц только подбирать параметры, при которых картинка будет чёткой. И только после этого, когда будет получена приличная картина расположения атомов(читай — хорошее атомное разрешение), можно начинать эксперименты и искать аномалии. Они могут быть самые разнообразые: какие-то окружности, изменения в порядке атомов и т.д. Здесь главное — чётко зафиксировать, при каких условиях и что именно получается, иначе при обработке результатов теоретиками можно легко перепутать желаемое с тем, как есть на самом деле.
Немного о том, как работает эта установка. (Кстати, на фото выше один из её амортизаторов) Рядом с колонной, где установлен непосредственно микроскоп, находится криостат с гелием, позволяющий опускаться до 1° К, и установка, генерирующая магнитное поле до 3 Тл. Это как у современных томографов, только поле получается меньших размеров. На соседних установках в лаборатории можно получать 9-10 Тл, так что это и не особо большое поле. Справа находится вторая камера — так называемая камера подготовки. В этой системе происходит подготовка структур, которые не то что от пыли охранять надо, но даже от атмосферной влаги. На подготовленных образцах влага оседает мгновенно. Достал и — хоп — шуба из молекул воды на всей поверхности. И начинаются реакции окисления, реконструкции атомной структуры по всей поверхности, и образец приходит в полную негодность. Поэтому, обычно, зондовыми методами изучают образцы подготовленные двумя особыми способами. Первый способ — структура изготавливается в установке in situ: проходит через два магнетрона или источник электронно-лучевого напыления и систему отжига до 2000° С. Второй способ заключается в скалывании изготовленного ранее и принесенного извне образца непосредственно в камере подготовки. Все эти процессы, конечно же, происходят в вакууме.
Замолвим слово про любовь физиков к охлаждению исследуемых образцов до единиц градусов Кельвина и сверхпроводимости. Логично предположить, что охлаждают образцы ради компенсации тепловых шумов. Но давайте рассмотрим это с точки зрения самого исследования. Просто так изучать структуру материала — затея скучная и в чём-то бесполезная. Стоят себе атомы в какой-то, возможно даже визуально красивой последовательности — и стоят. А толку с этого? Конечно, на заре зондовой микроскопии получать картинки с изображениями атомной поверхности было очень захватывающе, но современная наука при комнатной температуре изучила уже всё, что только можно было изучить. Буквально дошло до того, что зачастую идея нового эксперимента еще не успевает быть до конца сформирована, а его уже провели во всех возможных вариантах. А ведь хочется двигаться дальше! Хочется опережать своих коллег! И сверхпроводимость — это как раз та область современных знаний, на карте которой огромное количество белых пятен размером с континент. И во многом обусловлено это именно технологической сложностью исследований. Сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление. Значит, если на поверхности сверхпроводника создавать микро- или нанодефекты, (извлекать отдельные атомы, например), свойства этой системы локально изменятся. Это значит, что можно прямо здесь же изучить свойства единичных квантовых нанообъектов на фоне квантовой макросистемы и далее проводить реверс-инженеринг новых структур.
Длительность самих экспериментов бывает очень разной, от нескольких дней до полугода. На памяти проводившего для нас экскурсию Василия Сергеевича Столярова — трёхлетняя попытка получения спектроскопии высокого разрешения на поверхности топологического изолятора с дефектами. Что такое спектроскопия на атомном микроскопе: это когда ты ведёшь зонд-иглу над поверхностью и в каждой точке снимаешь вольт-амперную характеристику. Звучит просто, но подбор всех параметров, начиная от материала и габаритов иголочки, заканчивая стабильностью системы в целом — это целое искусство. История самого Василия такова: после защиты в Черноголовке он уехал работать постдоком (это когда новоиспечённый кандидат наук или PhD ведёт научное исследование) во Францию в Сорбонский университет. Там влюбился в методики поатомного сканирования и стал крупным специалистом в этой области. После окончания работ в Париже поступило приглашение продолжить исследования на схожем проекте в США, с одной стороны, а с другой — приглашение от Александра Голубова, выигравшего Мегагрант, основать свою лабораторию. Америка — это хорошо, конечно, но лаборатория уже построена, позиция временная, задачи для исследований назначаются сверху, да и в целом всё чужое и мало пространства для манёвра. Поэтому было принято решение вернуться в Россию, где была закуплена мощная коллекция оборудования. И тут достижение не только в “купить” (что тоже не в ближайший магазин сбегать, так то), а в том, чтобы всё собрать, настроить и научиться получать хорошие результаты. Для тех, кто крутится в этой отрасли, на самом деле не тайна, что если взять страну в целом, то схожих установок было куплено весьма не мало. Вот только работать с ними умеют единицы, и часть оборудования стоит мёртвым грузом. Поэтому обычной практикой считается подбирать задачу под инструмент, и здесь это действительно нормально. Для такого сложного оборудования очень важно найти правильную задачу, чтобы работа установки была эффективной.
Замолвим слово про иглы, которыми проводятся измерения. Подробно про принцип работы атомного микроскопа можно почитать, например, в википедии. А если вкратце: в атомных микроскопах картинка формируется не оптическими методами, а с помощью тончайшей иглы хитрой формы, которая ведётся над исследуемой поверхностью. Её колебания преобразуются в сигнал, из которого на компьютере формируется картинка. Диаметр кончика этой иглы 5 нм, а сама игла должна иметь строго определённую форму. Возникает вопрос — где их брать? Фабрично такое не делается, значит, надо засучить рукава и делать самим. Берётся вольфрамовая или платиновая ниточка диаметром около 250 мк, в зависимости от материала опускается в кислоту или щёлочь, и подаётся потенциал. Начинается процесс электрохимического травления и ваша задача — постоянно контролировать величину тока между электролитом и заготовкой. В какой-то момент ток начнёт резко увеличиваться, и тут надо успеть вытащить иголку из электролита. На всё про всё доли секунды. Если тащить недостаточно быстро — или вся иголка успеет перегореть, или кончик оплавится в шар. А игла должна оставаться острой. Да ещё и капиллярный эффект надо незабыть учесть. Так что задача интересная, автоматизирована слабо, часть операций делается вручную, и всё происходит в соседней комнате. Хотя это скорее следствие уникальной потребности, т.к. такие иголочки особо больше никому и не нужны.
Лаборатория Терагерцовой Спектроскопии
Ещё одна экспериментальная лаборатория, где занимаются физикой конденсированного состояния — Лаборатория терагерцовой спектроскопии. Можно сказать, что физикой твёрдого тела, но всё же более точно будет именно конденсированного состояния. В чём разница? Возьмём воду — типичный пример конденсированного тела: молекулы между собой связаны, но вещество не твёрдое и не газ. Жидкости в лаборатории тоже изучаются, вот отсюда и правильное название.
Но это мы про предмет изучения. Но интересен здесь именно инструмент для изучения — это оптическая спектроскопия. Да, та самая спектроскопия, где берёшь вещество, подсвечиваешь его излучением с известными характеристиками(частота, поляризация, интенсивность, …) и регистрируешь прошедшее/отражённое. Но в школе нам всем говорили, что спектроскопия позволяет просто оценивать состав вещества и то, из каких молекул оно состоит. Однако если взять сверхпроводник, то можно узнать не только из чего он сделан, но также и размер сверхпроводящей щели, и то, как она меняется в зависимости от температуры, как там взаимодействуют электроны и много другое. То есть спектроскопия в правильных руках — это один из самых мощных методов экспериментальной физики.
Так что же такое спектроскопия в деталях?
Сам процесс подсветки вещества — это облучение его квантами энергии с определёнными характеристиками. Если энергия кванта совпала с характерной энергией какого-либо процесса внутри исследуемого объекта, происходит резонансное взаимодействие(например, поглощение), которое регистрируется приборами. Потом мы смотрим на результат этого взаимодействия и меняем или энергию нашего кванта, или температуру объекта, или какие-то другие параметры в зависимости от нашей задачи. Иногда ничего не меняется, а иногда начинают происходить «взрывные» эффекты, и они уже изучаются более внимательно. Соответственно, чем больше диапазон подаваемых частот, тем более полным будет наше исследование.
Наряду с резонансным поглощением, взаимодействие излучения с объектом может иметь другие формы, что дает возможность судить о внутренних явлениях в веществе. Например, в биологических материалах обнаружили несколько универсальностей, широко известных в сообществе [физиков-твердотельщиков] (https://doi.org/10.1038/s41598-017-15693-y).
Помимо классических спектроскопических конфигураций существуют и более изощренные измерительные схемы. Например, можно посветив излучением с одной энергией кванта, перевести определенную часть объекта в более высокоэнергетичесое состояние, выключить это излучение и очень короткими импульсами «следить», как система релаксирует в равновесное состояние. Такие “pump-probe” конфигурации дают возможность изучать неравновесные явления. В лаборатории pump-probe схемы пока не реализованы и это – дело будущего. Главное, чтобы было куда стремиться и на чём это реализовывать.
А вот так выглядит терагерцовый-субтерагерцовый спектрометр на лампах обратной волны.
Кстати, почему именно терагерцы фигурируют в названии лаборатории?
Это диапазон 10^11-10^12 Гц, который долгое время был неосвоен экспериментаторами-спектроскопистами, что делало практически невозможным исследования многих явлений. Например, оставались неизученными энергетические щели в плотности состояний сверхпроводников или температурно-неустойчивые линии поглощения в сегнетоэлектриках. Основная проблема была в том, что методики, работающие для инфракрасного, радио- и прочих диапазонов, здесь не дают результата.
Лет 30 назад был придуман прообраз современного масс-спектрометра в ФИАНе, но в те не слишком весёлые времена наука мало кого интересовала, и проект был заморожен. К моменту основания лаборатории в 2103 году, частотный терагерцовый интервал уже был полностью освоен с помощью двух типов спектрометров – на основе генераторов монохроматического и перестраиваемого излучения (так называемых ламп обратной волны, ЛОВ) и на основе достаточно коротких импульсов электрического поля (спектрометры с временным разрешением, time-domain spectrometers, TDS), Фурье-преобразование которых давало как раз терагерцовые частоты. Сейчас это уже промышленно выпускаемые машины, правда, все они родом из Европы.
Отдельно хочется отметить ЛОВ-спектрометры. Во-первых, это отечественная разработка, которую по ряду параметров пока никто не превзошел. А во-вторых, они способны непрерывно генерировать электромагнитные волны высокого качества – интенсивные, с высокой степенью поляризации и монохроматичности и, что чрезвычайно важно, плавно перестраиваемые по частоте.
Современные установки покрывают диапазоны от радиочастот (Гц — МГц), терагерцовый, инфракрасный диапазон, и так далее. Пока пропущен СВЧ диапазон, но работы ведутся и в этом направлении. Финальная цель — сделать оборудование для проверки веществ во всём электромагнитном спектре.
Финансирование за счет программы 5-100 позволило установить в лаборатории терагерцовые спектрометры, радиочастотные спектрометры, инфракрасные спектрометры и Фурье-спектрометры (довольно стандартные по своей сути, но новые по моделям). Основные направления исследований: биофизика, нано-размерные эффекты, двумерные материалы, перовскиты и мультиферроики.
А вот так выглядит инфракрасный Фурье-спектрометр.
И если предыдущая лаборатория была оплотом фундаментальной науки, то здесь уже заметно смещение в прикладную часть.
Например, прямо сейчас студенты пытаются делать детекторы терагерцового излучения на углеродных нанотрубках, что суть задача абсолютно прикладная.
Но фундаментальные исследования никто не отменял: недавно было открыто несколько интересных явлений в поведении молекул воды в кристалле изумруда. Результаты были опубликованы в Nature Communications (справделивости ради надо отметить, что ещё одна публикация сейчас находится на рецензировании).
Отдельное направление исследований возникло на пересечении физики с биологией. Возникло оно не сразу и не без проблем, но в процессе сближения оказалось, что все методики, используемые здесь, абсолютно применимы для биологических объектов. Ситуация довольно частая и печальная для всего научного сообщества: одни долго пытаются что-то сделать, в то время как другие это уже давно сделали и с успехом применяют. Но здесь эта история закончилась удачно, было проведено множество исследований, сделаны публикации, и теперь множество исследователей по всему миру ждут новых результатов.
Немного про текущие перспективы использования сверхпроводимости и квантовые компьютеры у нас дома
И в завершении, давайте немного отвлечёмся от лабораторий и поговорим, почему все они уделяют особое внимание миру сверхпроводников.
Надо понимать, что тема сверхпроводимости сейчас гремит в научном мире. Любой специалист в этой области будет супер-востребован ещё многие годы. Лаборатории, подобные тем, что построены в МФТИ — это кузница таких кадров. Получилась интересная ситуация: когда случился бум эмиграции после развала СССР, уехавшие специалисты строили себе лаборатории из самого современного на тот момент оборудования. Прошло 30 лет. Ресурс построенных установок ещё не выработан, но они морально устарели, а обновлять их слишком дорого и никто не будет просто так выбрасывать работающую технику. А вот у нас из-за образовавшегося в девяностые “пробела”, разворачивать новейшие исследовательские установки начали только сейчас. Закономерный итог — в лаборатории МФТИ приезжают профессора со всего мира проводить свои эксперименты и выступать с лекциями.
А квантовые компьютеры на сверхпроводниках — это практически реальность. Пусть и не на супер-мощностях, но как альтернатива кремниевым вычислителям, это наше ближайшее будущее.
Тут лучше пояснить: здесь не надо смотреть на громоздкие лабораторные установки опутанные проводами и датчиками. У этого оборудования исследовательская задача. На потребительском уровне объёмы нужны в разы меньше. Ещё 5 лет назад задача охлаждения до единиц градусов по шкале Кельвина была сродни шаманизму и окутана парами жидкого гелия. В современном криостате она решается нажатием одной (буквально) кнопки — и уже до долей Кельвина.
То есть сегодня техническая база догоняет теоретическую семимильными шагами.
Ложка дёгтя
Без этого абзаца статья будет не полной, да и странно полагать, что всё отлично и проблемы позади.
Мы спрашивали у всех собеседников: вот доучились ваши студенты, выпустились и поняли, что хотят продолжать заниматься наукой. Куда им дальше идти? И всегда нас ждал один и тот же ответ: в любую западную лабораторию. К сожалению, у нас нет частных наукоёмких компаний, где занимаются фундаментальными исследованиями и платят за это хорошую зарплату, если только не брать госуху. Поэтому молодому учёному пока путь один: ехать на запад, устраиваться постдоком, проводить исследования, делать себе имя и когда это имя уже будет иметь вес в научной среде, вот тогда можно будет задуматься над открытием своей лаборатории в том месте, которое покажется наиболее комфортным.
P.S. И пара слов напоследок о том, как мы сюда попали и почему эта статья в корпоративном блоге Veeam: основатели Veeam — выпускники МФТИ. Они поддерживали и продолжают поддерживать свой alma mater. Ведь не секрет, что физтех — это кузница не только научных, но и предпринимательских кадров международного уровня. Видимо из-за особенной атмосферы обучения.
А на экскурсию мы просто напросились =)
