Сегодня весь мир говорит о данных: как передавать их быстрее и эффективнее. Решение предлагает фотоника — научная область, работающая со световыми волнами. На научно-популярном фестивале «Вот?!» Наука Mail пообщалась с доцентом центра инженерной физики Сколтеха — Сергеем Дьяковым. Ученый рассказал о последних достижениях фотоники, перспективах применения метаповерхностей и разнице подходов к науке в России и за рубежом.
Метаповерхности: что это и в чем их инновационность
Метаповерхность появляется, когда на определенной плоскости мы создаем набор каких-то объектов: отверстий, пупырышек или плазмонных частиц. Эти структуры определенным образом взаимодействуют с электромагнитными волнами. Метаповерхности могут быть рассчитаны на разные диапазоны волн, например, на радиоволны или на видимый свет, у которого длина волны — порядка 500 нанометров. Структуры с периодом, сравнимым с длиной волны света, обладают уникальными оптическими свойствами, которые недоступны обычным материалам.
Метаповерхности встречаются и в природе. Например, диатомовые водоросли — одноклеточные микроорганизмы с необычными панцирями, которые усеяны множеством отверстий. Туда же можно отнести и кожу хамелеона, состоящую из пупырышек, крылья бабочки, перья павлина. Все это — метаповерхности, поэтому они так переливаются и под разными углами имеют разный цвет.
О перспективах использования
Метаповерхности могут быть крайне полезны для выявление несимметричных (хиральных) молекул. Такие молекулы встречаются у некоторых лекарств, например, ибупрофена: есть левый ибупрофен, а есть правый. Химически это одно и то же вещество, но в расположении атомов есть различия, и только одна из этих форм действует на организм, вторая — бесполезна.
При этом существуют препараты, одна из хиральных форм которых не просто бесполезна, а даже опасна, поэтому для фармацевтики важно научиться определять, это левая форма или правая. Существующий способ выявления нужной формы требует большого количества вещества. Если же создать хиральную метаповерхность и поместить на нее исследуемый препарат, можно усилить взаимодействие света с молекулами и тем самым точнее и эффективнее определить, какая форма левая, а какая правая.
Еще одним перспективным применением метаповерхностей может стать космическая отрасль. Спутники связываются с Землей при помощи специальных антенн. Эти элементы представляют собой параболическое зеркало — буквально зеркало для радиоволн. Излучение отражается от него, и из-за того, что зеркало имеет параболическую форму, оно параллельным пучком посылает излучение на Землю.
Проблема в том, что эта конструкция достаточно массивна. Парабола это все-таки не плоская вещь, она много весит — в космосе это представляет трудности. Поэтому в фотонике разрабатываются такие объекты, как плоские зеркала. Они представляют собой метаповерхность, которая состоит из периодических частиц или отверстий и работает как обычное параболическое зеркало, но при этом имеет плоскую форму, что позволяет экономить пространство.
Передовые проекты в фотонике, о которых стоит знать
Метаматериалы, которые создаются в фотонике — технология необходимая в будущем, но уже находящая свое применение в существующих разработках. О заметных достижениях в области фотоники рассказал эксперт.
У нас в центре инженерной физики Сколтеха мы занимаемся теоретическими исследованиями, направленными на разработку фотонных интегральных схем (микросхем, обрабатывающих фотонные сигналы). Преимущество такого устройства по сравнению с классическими интегральными схемами — очень высокая скорость работы и отсутствие потерь на тепло. Проблема в том, что кремний, из которого делаются микросхемы, сам по себе свет не излучает, поэтому используются наночастицы — кремниевые или германиевые нанокристаллы, а для повышения эффективности их излучения применяют метаповерхности. Мы рассчитываем такие структуры, а изготавливают их наши коллеги в Институте физики микроструктур в Нижнем Новгороде, под руководством Алексея Новикова и Захария Красильника.
Еще одна впечатляющая разработка — сверхчастотный модулятор, созданный в лаборатории профессора Владимира Драчева. Устройство работает на частотах в десятки гигагерц и переводит электрический периодический сигнал в оптический. Это позволяет с высокой скоростью передавать информацию по оптоволокну, что важно для широкополосных линий связи. Это один из «кирпичиков» будущего сверхскоростного интернета.
Фотоника в России и за рубежом
Сергей Александрович долгое время учился и работал за границей. Наука Mail решила выяснить, чем отличается подход к научной деятельности в нашей стране и за рубежом.
В Европе, очень важно, чтобы у исследования было практическое применение. Поэтому там в последнее время становится все меньше сугубо теоретических проектов. Если лаборатория получает государственное финансирование, то, как правило, оно направлено на проекты, которые в обозримом будущем могут дать хотя бы реально работающие прототипы устройств. Дело еще в том, что в Европе проще купить оборудование, оно будет стоить дешевле. Те же немцы сами для себя производят качественные доступные исследовательские приборы. Поэтому экспериментатором в Европе быть проще. В России немного по-другому. Теоретическая школа у нас очень сильна, государство понимает, что теория так же важна как и практика. Есть, например, Российский научный фонд, который в том числе поддерживает и теоретические проекты.
Мы менее привязаны к утилитарной задаче и можем себе позволить потеоретизировать в большей степени, чем за рубежом — и это хорошо, я считаю. Если взять японские университеты, там ведется практическая деятельность на качественном оборудовании, но иногда они совершенно не понимают, что делают. Несмотря на то, что Япония — технологически развитая страна, местные ученые зачастую берут в работу какие-то объекты, структуры с определенными свойствами, но до конца не представляют, почему эти материалы обладают такими характеристиками — у них нет такой сильной теоретической школы.
Ранее мы рассказывали об устройстве атомных часов.
