Зачем нужна фотоника?
Начнем с направления в науке, которое входит в список больших приоритетов государства. Фотоника — это научная дисциплина, которая занимается исследованиями оптических сигналов, а также созданием приборов, такие сигналы использующих.
Насколько эта научная дисциплина полезна? Мы встречаемся практически каждый день. Начать хотя бы с того, что создание оптоволокна, благодаря которому сегодня в каждом доме есть интернет, стало возможны как раз благодаря исследованиям в области фотоники. Система распознавания лиц наших смартфонах использует специальный микролазер, который сканирует черты лица человека, пытающегося получить доступ. Контролер движения, с помощью которого мы играем в видеоигры, тоже появился благодаря фотонике. Да и вообще любые лазеры, от сверхточного хирургического до указки на брелке с ключами, своим появлением обязаны как раз исследованиям в области фотоники. И чем больше научной работы ведется — тем больше и больше нововведений будет появляться в нашей повседневной жизни.
Как таковая, фотоника зародилась в 60-е годы прошлого века, вместе с изобретением в США первого рабочего лазера. Но намного раньше, еще в 1916 году, Альберт Эйнштейн предсказал явление «вынужденного излучения», которое впоследствии легло в основу работы лазеров.
«Термин «фотоника» был введен нашим соотечественником, академиком Александром Терениным. «Исторически, 19 век был временем паровых машин, 20 век — временем электроники. Сегодняшнее столетие — это эра фотоники. В отличии от электроники, где все базируется на электронах, в фотонике всё базируется на фотонах — самых распространенных элементарных частицах во вселенной, способных переносить энергию. В отличие от тяжелого, отрицательно заряженного электрона, фотон не имеет заряда, то есть не подвержен влиянию электромагнитных полей. К тому же он не имеет массы. Фотон двигается и распространяется со скоростью света, поскольку свет — это и есть фотон», — рассказывает Наталья Рудакова, научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.
Ученые из Красноярска на себе поставили эксперимент из блокбастераПри вынужденном излучении фотоны сталкиваются с атомами и выбивают из них новые фотоны, затем сталкиваются все с новыми и новыми атомами, двигаясь всё дальше — как раз это и происходит при работе лазера. Происходит взаимодействие света с веществом, которое, если говорить просто, и является самой сутью фотоники. Исследования фотоники в будущем позволят создать очень многое из того, что предсказывали писатели-фантасты. Идеальный камуфляж, который делает человека полностью невидимым? Здесь не обойдется без фотоники, поскольку мы видим объекты, потому что на них падает свет — а значит, чтобы стать невидимкой, необходимо найти способ отклонить свет от объекта.
Исследования дальнего космоса? Фотон движется со скоростью света — и именно такая скорость в идеале нужна для покрытия колоссальных расстояний в нашей галактике. Квантовый компьютер, способный превзойти любые электронные устройства в плане скорости вычислений? Для его создания нужно отказаться от транзисторов и бинарного кода (все данные, как известно, записываются в виде сочетаний единиц и нулей — примечание) — и потому его создание не обойдется без фотонов, с которыми не страшен перегрев, а передача информации идет со скоростью света.
Сейчас красноярские ученые занимаются поиском новых дизайнов резонаторов и волноводов, позволяющих управлять светом и его параметрами. Заперев свет и сделав его управляемым, можно в будущем найти множество разных способов его применения — включая даже самые фантастические.
Нужны все методы
Вместе с учеными исследованиями занимаются младшие научные сотрудники — то есть молодые ученые, студенты и выпускники технических вузов краевой столицы, которые делают свои первые шаги в настоящей науке. Их исследования проходят в молодежной лаборатории фотоники молекулярных систем.
«Я студент СибГУ имени Решетнева, в лабораторию я попал 1,5 года назад. Не так давно мы получили оборудование, на котором мы можем проводить эксперименты. Лаборатория очень перспективна, поскольку научные сотрудники обладают обширными навыками численного моделирования, могут проводить эксперименты и обладают богатыми познаниями теории. Лабораторий, которые могут объединять эти три метода исследований, в Красноярске не так много. Кроме того, не так давно мы получили еще один, четвертый метод — благодаря новому оборудованию из Новосибирска», — рассказал Гавриил Романенко, младший научный сотрудник.
Речь о вакуумной установке, которую ученые получили в свое распоряжение в конце 2022 года. С ее помощью можно заниматься напылением органических материалов — это позволит получать из органики специальные пленки, которые будут использоваться при разработке дизайнов резонаторов и волноводов — для более эффективного управления светом, о котором уже говорилось выше.
В фотонике такой подход используется редко — в основном в ход идут неорганические материалы (с которыми установка тоже может работать). Во всем Красноярске больше никто не располагает подобной установкой — и по всей России их тоже немного. Так что у научных сотрудников Института физики открываются новые, редкие, возможности для исследования.
Очень нужные кристаллы
Чем еще занимаются в институте физики? Например, очень актуальной темой «зеленой» энергетики — если точнее, то теми способами получения возобновляемой энергии, которые строятся на солнечном свете. Недавно красноярские ученые разработали модификацию привычной всем солнечной батареи.
«Фотовольтаика — это еще одно направление нашей работы. Применение многослойных зеркал позволяет решить старую проблему солнечных батарей, в которых в качестве контактов используется либо серебро, либо алюминий. Оба этих металла не только отражают, но и поглощают свет. Но если вместо металлов поставить на подложку батареи фотонный кристалл — мы сможем запереть свет и заставить активную среду поглотить как можно больше, тем самым увеличив эффективность. Причем, получить подходящий фотонный кристалл можно методом электро-химического травления, что позволяет удешивить производство, не используя дорогие металлы», — рассказал Рашид Бикбаев, младший научный сотрудник лаборатории фотоники молекулярных систем.
Как еще можно получать «зеленую» энергию, обходясь без традиционного угля, нефтепродуктов и тому подобного? Например, очень актуальна проблема добычи чистого водорода — который, как известно, является составным элементом воды. Водород — очень энергоемкий материал, при его сгорании выделяется огромное количество энергии. К тому же, получать из него энергию можно на месте — то есть, в теории, можно получать энергию даже на Крайнем Севере, не вредя экологии и не сталкиваясь с трудностями в логистике. Везде, где есть вода — есть водород. А значит, есть возможность добывать энергию.
Открытия, способные изменить мирПроблема в том, что самый простой способ получить водород из воды — провести электролиз, когда в воду погружают катод и анод. Но на электролиз тратится огромное количество электрической энергии — а ее тоже нужно откуда-то взять... Что же делать? Красноярские ученые считают, что можно особым образом использовать солнечную энергию — ведь свет солнца достигает всех уголков планеты.
«Еще в 70-е годы были предложены материалы для разложения воды с помощью солнечной энергии — но результаты были довольно скромными. С тех было сделано очень многое и мы продолжаем вести исследования в этом направлениями. Тема фотонных кристаллов — ключевая для нашей лаборатории, именно с нее все когда-то начиналось. На краях фотонных кристаллов есть фотонно-запрещенные зоны, отражающие свет. По краям запрещенной зоны реализуется эффект под названием „медленный фотон“, усиливающий поглощение солнечного света. Чем больше солнечного света поглощается — тем больше будет КПД при расщеплении воды. И как раз в этом направлении — усиления поглощения — мы и движемся. Для этого мы разрабатываем фотонно-анодные кристаллы», — рассказал Максим Пятнов, научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.
О пользе фундаментальных исследований
Напоследок стоит рассказать о деятельности лаборатории когерентной оптики, где занимаются фундаментальными исследованиями — то есть не прикладными разработками, а изысканиями, которые в будущем заложат основу уже для чего-то широко применяемого. В данный момент здесь изучают вихревые лазерные пучки.
«Наша работа направлена на формирование массивов оптических вихрей — они могут использоваться, например, для работы с клетками в устройстве оптического пинцета. Это даст возможность отделять одни клетки от других — например, больные от здоровых. Сейчас очень сложно спрогнозировать, как еще могут применяться наши исследования — ведь это даже не завтрашний, а послезавтрашний день. Наша работа окажет влияние на развитие фундаментальной фотоники — полученные результаты закладывают фундамент будущих открытий», — рассказал Андрей Вьюнышев, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.
Для чего эти исследования могут пригодиться? Это самое интересное, ведь вихревые лазерные пучки так или иначе уже задействованы в телекоммуникационных системах для увеличения пропускной способности оптических каналов связи, в микроскопии, в устройствах оптических пинцетов для захвата и манипулирования отдельными клетками в биомедицине. Именно так было с любым фундаментальным исследованием — на их основе всегда появлялись прикладные разработки, подчас сильно меняющие нашу привычную жизнь.
В лабораториях Института физики разговоры о науке ведутся даже во время перерыва на чай и кофе, а новые теории и результаты экспериментов обсуждают чаще любых мировых новостей. Остается только пожелать ученым успехов на выбранном ими поприще, а студентам, которых интересуют перспективные направления науки, не приспускать столько увлекательные экскурсии.
Интернет-газета Newslab, фото Алины Ковригиной
