В России разрабатываются новые источники микроволнового излучения, изучаются сложные квантовые явления в полупроводниках, проводятся исследования свойств вещества при экстремально высоких давлениях и другие работы. Охватить все исследования, осуществляемые в такой обширной стране, как Россия, и перечислить все участвующие институты и университеты невозможно — однако мы постараемся обозначить основные направления развития.
XX век часто называют веком физики. Именно в этот период произошли ключевые открытия в области микромира, которые открыли возможности для использования ядерной энергии, разработки микроэлектроники и создания разнообразных источников излучения, включая лазеры и рентгеновские аппараты. Тесная взаимосвязь этих открытий с потребностями военной промышленности привела к расцвету в середине века таких направлений, как ядерная физика, физика плазмы и физика лазеров. Советский Союз также стал одним из ведущих мировых игроков в этих областях. После распада СССР советские физики, обладавшие высоким профессионализмом, нашли применение своим знаниям в научных центрах за рубежом. Многие из них поддерживали прежние связи, что способствовало сохранению высокого уровня исследований в российских институтах и университетах.
Увеличение финансирования науки в период с 2000 по 2010 годы способствовало развитию научных центров и позволило ученым, оставшимся в России или вернувшимся на родину, сформировать мощные исследовательские группы. Физика XXI века открыла новые перспективы, главным образом связанные с высокоточным управлением микроскопическими объектами и их состояниями, включая наноструктурирование, квантовую информатику и генерацию ультракоротких импульсов. Эти области активно развиваются в современной России, наряду с более традиционными направлениями.
В стремлении к изучению структуры атомного ядра и открытию новых частиц и фундаментальных законов
Современная физика уделяет особое внимание изучению вещества на самом базовом уровне, исследуя его субатомные составляющие. На уроках физики мы узнаем, что все тела состоят из атомов, которые, в свою очередь, включают электроны и ядра. Ядра же формируются из протонов и нейтронов. Однако в XX веке ученые обнаружили, что этот мир гораздо сложнее и разнообразнее. Протоны и нейтроны, как оказалось, состоят из еще более мелких частиц — кварков, способных объединяться и образовывать другие частицы, такие как пионы, мезоны, каоны и другие. Помимо этого, существуют частицы совершенно иного типа, например, практически не обнаруживаемые нейтрино, возникающие в ходе ядерных реакций, и античастицы, которые идентичны обычным частицам, но обладают обратным зарядом. Так, если электрон имеет отрицательный заряд, то антиэлектрон, известный как позитрон, — положительный. Впоследствии были открыты и частицы, схожие с привычными, но обладающие большей массой: у электрона есть более тяжелые аналоги — мюон и тау-лептон.
Эти открытия стали возможными благодаря изобретению и совершенствованию ускорителей — аппаратов, предназначенных для разгона частиц до высоких и экстремально высоких энергий. Полученные таким образом ускоренные частицы сталкиваются, что приводит к ядерным реакциям и образованию новых частиц. Энергия ускоренных частиц напрямую влияет на количество образующихся при столкновении частиц, поэтому ученые стремились создавать все более крупные и мощные ускорители. На сегодняшний день крупнейшим из них является Большой адронный коллайдер, расположенный в Швейцарии и являющийся частью Европейской организации по ядерным исследованиям ЦЕРН. Однако масштаб этого ускорителя настолько огромен, что его строительство было бы непосильно для одной страны, поэтому в его разработке и создании детекторов частиц для него приняли участие большинство развитых государств мира, включая Россию, которая сыграла ключевую роль.
За последние годы и десятилетия наиболее значительным достижением российской науки в области субатомной физики стало получение новых химических элементов в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Еще в 1950-е годы Георгий Николаевич Флёров основал здесь Лабораторию ядерных реакций (ЛЯР), которой после его отставки в конце 1980-х руководил Юрий Цолакович Оганесян. На протяжении многих лет ЛЯР сохраняла лидирующие позиции в мире в области синтеза ядер с рекордным числом протонов, то есть химических элементов с максимальными атомными номерами. К 1952 году были получены элементы с номерами до 100. В настоящее время их число достигло 118, и большинство из них создано благодаря работе сотрудников ЛЯР. В качестве признания их вклада 105-й элемент назван дубнием, 114-й — флеровием, 115-й — московием, а последний из известных на сегодняшний день 118-й в 2010 году получил название оганессон. Это лишь второй случай в истории, когда наименование элемента было дано в честь человека, еще живого.
В настоящее время Объединенный институт ядерных исследований ведет работы по созданию фабрики сверхтяжелых элементов. Помимо открытия новых элементов, существует потребность в изучении их характеристик, что требует разработки надежных способов получения значительного их количества. В 2022 году ученым удалось установить новый рекорд: было синтезировано более 238 атомов сверхтяжелых элементов. Также стартовали исследования химических свойств элементов с атомным номером 112 и 114.
ОИЯИ известен не только исследованиями в области физики заряженных леонов и синтезом сверхтяжелых элементов. Более трех десятилетий здесь функционирует ускоритель тяжелых ионов «Нуклотрон». Ядра тяжелых ионов содержат большое количество протонов и нейтронов, а следовательно, и кварков, являющихся их составными частями. Столкновение таких ядер позволяет исследовать не возникновение новых частиц, а характеристики ядерной материи. В настоящее время на базе этого ускорителя создается новая, более мощная установка — NICA, которая вошла в число шести меганаучных проектов, получивших поддержку правительства Российской Федерации. Ожидается, что NICA, ввод в эксплуатацию которой запланирован в ближайшее время, станет уникальной установкой мирового уровня, предназначенной для изучения ядерной материи и ее изменений в условиях сильного сжатия, которые в природе наблюдаются лишь в экзотических космических объектах, таких как нейтронные звезды или ядра сверхновых звезд.
В число меганаучных проектов, наряду с NICA, включены и другие ускорители. В частности, планируется создание Супер чарм-тау фабрики в Новосибирске при участии Института ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН). Это будет ускоритель электронов и позитронов, предназначенный для изучения их столкновений. Основная задача проекта – получение и детальное исследование тау-лептонов, являющихся очень тяжелыми аналогами электронов, открытых в 1975 году, но до настоящего времени недостаточно изученных.
В Институте ядерной физики СО РАН функционируют несколько небольших электрон-позитронных ускорителей, и в процессе исследований на них время от времени достигаются неожиданные результаты. Так, изучение превращения электрона и позитрона, сталкивающихся друг с другом в новые частицы, пионы, выявило, что вероятность такого превращения превышает значения, полученные другими исследовательскими группами. Причины этого явления предстоит установить. Не исключено, что причиной являются пока еще не открытые наукой частицы.
Электронные синхротроны, являющиеся источниками интенсивного рентгеновского излучения, представляют собой важный тип ускорителей для различных приложений. Они позволяют исследовать атомную структуру материалов, биологические молекулы и действующие вещества лекарств. В настоящее время в России отсутствуют синхротронные источники, соответствующие современным стандартам. Действующий в Москве Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) был спроектирован в конце 1980-х годов. В связи с этим, новый синхротронный источник СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов), строительство которого ведется в Кольцово под Новосибирском, стал одним из мегасайнс-проектов. Этот проект, как и КИСИ, разрабатывается и реализуется в первую очередь усилиями ИЯФ СО РАН, ведущего российского центра в области электронных ускорителей.
Среди значимых проектов, где специалисты Института ядерной физики СО РАН занимают ключевые позиции, — разработка комптоновского источника гамма-квантов с беспрецедентной светимостью. Строительство этого источника планируется осуществить в Национальном центре физики и математики (НЦФМ) в Сарове. Благодаря ему появится возможность исследовать взаимодействие фотонов (частиц света) с атомными ядрами.
В Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ), являющемся частью Курчатовского института, расположенном в Гатчине, в скором времени будет введен в эксплуатацию новый мегасайнс-проект – ПИК. Это исследовательский ядерный реактор, созданный для получения потоков нейтронов. Подобно рентгеновскому излучению, нейтронное излучение может использоваться для изучения веществ и молекул. Его ключевое преимущество заключается в возможности определения конкретных атомов, входящих в состав исследуемого материала. Также стоит отметить, что нейтроны характеризуются отличной от рентгеновских лучей проникающей и поглощающей способностью, что позволяет им дополнять друг друга в научных исследованиях.
Ускорители частиц находят применение не только в фундаментальной физике и материаловедении, но и в медицине. Так, с помощью ускоренных протонов возможно удаление злокачественных новообразований. Этот метод, известный как протонная лучевая терапия, функционирует по принципам, схожим с рентгенотерапией. Однако, в отличие от рентгеновского излучения, протоны способны глубоко проникать в ткани и направленно воздействовать на опухоль на определенной глубине. Это позволяет использовать их даже в случаях, когда прямой доступ к пораженному участку затруднен. В Российской Федерации центры, специализирующиеся на проведении таких процедур, расположены в Гатчине при ПИЯФ, в Троицке при Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) и в Протвино при филиале Физического института РАН (ФИАН).
Другой нестандартный способ использования ядерных технологий — мюонография. Мюоны, частицы, схожие с электронами, но обладающие большей массой, постоянно поступают к нам из космоса и способны проходить сквозь массивные объекты, незначительно изменяя свою траекторию при наличии полостей внутри. Благодаря этому методу, например, можно находить магматические резервуары в недрах вулканов, что существенно для прогнозирования извержений. В последнее время мюонография также применяется для изучения объектов культурного наследия. Так, благодаря мюонам, внутри одной из египетских пирамид была выявлена ранее неизвестная комната. В России развитие мюонографии ведется в ИЯИ РАН, где продемонстрировали возможность исследования верхних слоев атмосферы и определения их температуры. А группа ученых из ФИАН, МИСиС, МИФИ и МГУ с помощью мюонографии обнаружила скрытые пустые комнаты в подвальных помещениях Свято-Троицкого Данилова монастыря в Переславле-Залесском.
Получение энергии из атомного ядра в нестабильной плазме
В России также существует давняя и значительная школа изучения плазмы — состояния вещества, возникающего при высоких температурах, когда электроны отделяются от атомов. Развитие этих исследований было во многом обусловлено стремлением к управляемому термоядерному синтезу, а также тем, что плазма является состоянием вещества, в котором существуют звезды, межзвездный газ и верхние слои атмосферы планет.
Термоядерный синтез предполагает получение энергии посредством слияния ядер, подобно процессам, происходящим в звёздах. Сложность заключается в необходимости нагрева топлива до экстремальных температур, превышающих 150 миллионов градусов, и поддержания его в таком состоянии. При этом вещество переходит в состояние плазмы, для удержания которой предлагается использовать сильные магнитные поля. Наиболее эффективной конструкцией магнитной ловушки для плазмы оказалась советская разработка – токамак, в котором плазма, выстроенная в жгут, циркулирует по кругу, удерживаемая электромагнитными системами. Однако для достижения положительного энергетического баланса требуется строительство токамаков внушительных размеров – более 10 метров в диаметре. В связи с этим, во Франции активно реализуется Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER с участием широкого международного сотрудничества, но начало работы с первой плазмой ожидается не ранее 2035 года.
Россия является одним из ключевых участников проекта ITER. В стране ведут разработки материалов для внутренней оболочки реактора, которые должны противостоять высоким тепловым нагрузкам и воздействию горячей плазмы. Кроме того, здесь производят сверхпроводящие магниты и мощные микроволновые излучатели, известные как гиротроны, используемые для нагрева плазмы.
Россия также вовлечена в исследовательскую программу ITER, где, в частности, проводятся эксперименты на классических токамаках, таких как Т-15 МД в Курчатовском институте и Т-11М в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ). Помимо этого, изучаются новые подходы к магнитному удержанию плазмы. Благодаря появлению мощных сверхпроводящих магнитов удалось разработать более компактные версии токамаков — сферомаки, в которых форма плазмы приближена к сферической. Один из них, Глобус-М2, был запущен в 2018 году в Санкт-Петербурге, в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ Иоффе). В 2022 году на установке впервые были достигнуты температуры, сопоставимые с термоядерными. В Институте общей физики РАН (ИОФ РАН) функционирует усовершенствованная версия тороидальной ловушки — стелларатор Л-2М. Отличительной чертой этого устройства является более сложная система магнитных катушек, которая скручивает плазменный шнур в форме винта для повышения устойчивости.
Наряду с ловушками, удерживающими плазму в замкнутом цикле, изучаются и устройства, в которых частицы плазмы движутся между двумя магнитами, отражаясь от них подобно тому, как от стенок. Эти ловушки классифицируются как открытые, поскольку создание абсолютно непроницаемых магнитных границ затруднительно. Крупнейшим современным устройством такого типа является Газодинамическая ловушка (ГДЛ), расположенная в Новосибирске в ИЯФ СО РАН. Благодаря работе на ней удалось решить ряд проблем, характерных для открытых ловушек, и продемонстрировать, что данное направление может послужить фундаментом для термоядерных реакторов будущего.
Исследования плазмы не ограничиваются только термоядерными реакторами. Она может быть использована для создания ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также для проведения химических реакций. Плазму с низкой температурой применяют в медицине. Во многих российских центрах ведутся подобные исследования, среди которых ФИАН, ИЯФ СО РАН, ФТИ Иоффе и Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде.
Лазеры: возросшая мощность, точность и надежность, а также области их использования
Российские ученые традиционно имеют значительные достижения в области физики лазеров и их взаимодействия с материей. Принцип лазерной генерации впервые был воплощен в волнах микроволнового диапазона. За создание устройства, получившего название мазер, советские физики Николай Геннадьевич Басов и Александр Михайлович Прохоров удостоились Нобелевской премии. Поэтому, когда в 1960 году в США был создан первый лазер, его практически сразу воспроизвели и в СССР, причем сразу в нескольких научных центрах: сильные лазерные школы сформировались в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах. Нобелевская премия также связана с именем Жореса Ивановича Алферова, который, работая в ФТИ им. Иоффе, разработал технологию производства высокоэффективных полупроводниковых лазерных излучателей.
Лазерные технологии позволили создать мощные источники излучения, которые практически немедленно предложили для запуска термоядерных реакций. В настоящее время National Ignition Facility в США является крупнейшим в мире лазерным термоядерным центром. Там, после более чем десяти лет безуспешных попыток и модернизации, в 2022 году впервые в истории удалось получить положительный энергетический выход, преобразовав 3 мегаджоули энергии термоядерного синтеза из 2 мегаджоулей энергии излучения, генерируемых 192 лазерами. Подобная установка была построена несколько лет назад и во Франции. В России исследованиями лазерного термояда занимается Российский федеральный ядерный центр ВНИИЭФ, расположенный в Сарове. Там ведется строительство лазерной системы УФЛ-2М, суммарная энергия импульсов которой составит около 3 мегаджоулей.
Альтернативный подход к разработке высокомощных лазерных систем заключается в увеличении мощности до рекордных значений. Мощность определяется как количество энергии, передаваемой за единицу времени, поэтому для ее увеличения применяют сверхкороткие импульсы, длительность которых в современных установках может составлять всего 20–30 фемтосекунд (1 фемтосекунда равна 10 –15 с). Хотя энергии в них не так много, как в лазерах для термоядерного синтеза: не больше десятков джоулей, мощность достигает невероятной величины в несколько петаватт (ПВт, 10 15 ватт). Такие лазерные импульсы превращают вещество в микроускорители заряженных частиц с огромной величиной ускорения. Например, сейчас лазерные ускорители электронов способны получать частицы той же энергии, что и традиционные ускорители длиной полкилометра, но в канале длиной всего 10 см. Лазерный ускоритель можно превратить в источник яркого рентгена, а также протонов, нейтронов и позитронов, то есть использовать его в тех же приложениях, что и традиционные ускорители: материаловедении, молекулярной биологии, медицине.
В нижегородском Институте прикладной физики РАН достигнуты наибольшие показатели мощности лазерного излучения в России: в 2021 году лазер PEARL сгенерировал импульсы мощностью 1,5 ПВт. Этот показатель пока уступает мировому рекорду в шесть раз. Для достижения этой мощности, помимо стандартной схемы генерации, была применена уникальная разработка – метод компрессии после компрессора, позволивший значительно укоротить лазерный импульс и, как следствие, увеличить его мощность.
На базе проведенных исследований планируется реализация нового меганаучного проекта XCELS в НЦФМ, расположенном рядом с городом Саров. В рамках XCELS будет сфокусировано излучение двенадцати лазеров, каждый из которых обладает мощностью 50 ПВт, для достижения пиковой мощности в 600 ПВт. Согласно теоретическим расчетам, при такой высокой концентрации энергии излучение начнет взаимодействовать с вакуумом, а именно с квантовыми флуктуациями, присутствующими в нем. Ожидается, что в результате лазерный импульс трансформируется в поток электронов и позитронов. Изучение данного процесса позволит углубить понимание структуры мироздания на микроскопическом уровне.
Лазерное излучение также может быть использовано для создания излучения в других спектральных диапазонах, которые невозможно получить напрямую. Так, в области между микроволновым излучением и видимым светом находится терагерцовый (ТГц) диапазон, для работы с которым до сих пор не разработаны эффективные и доступные источники. Как и рентгеновское излучение, ТГц-излучение способно проникать сквозь тела, что позволяет получать их изображения, но при этом оно не является ионизирующим, и, следовательно, более безопасно.
Существуют различные методы генерации терагерцовых (ТГц) импульсов. Один из них заключается в облучении короткофокусными мощными лазерными импульсами специально подготовленных мишеней, что приводит к возникновению электрических токов, которые, в свою очередь, излучают ТГц импульсы, действуя как микроантенны. Например, в 2021 году в Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) был разработан простой источник вблизи терагерцового диапазона, основанный на пропускании фемтосекундных лазерных импульсов через воздух, что приводит к образованию плазменных нитей, после чего преобразованные импульсы направляются на кристаллы тиогаллата лития. Совместными усилиями Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН, Института физики твердого тела РАН, Институтской астрофизической обсерватории РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИТМО и МФТИ исследуются возможности применения сапфировых оптических элементов для повышения эффективности ТГц излучателей. В Объединенном институте высоких температур РАН (ОИВТ РАН) разработаны технологии получения наиболее мощных ТГц импульсов, использующие в качестве мишеней органические кристаллы.
Современная лазерная физика включает в себя и область сверхточных измерений времени. Лазерные технологии позволили создать наиболее точные атомные часы, основанные на принципах атомных переходов: под воздействием лазерного импульса электроны в атоме начинают колебаться с периодом, который известен с высочайшей точностью. Подсчитывая с помощью того же лазера количество этих колебаний, удается измерять временные интервалы. В России данные технологии развиваются в Физическом институте им. П.Н. Лебедева. Среди последних достижений института – демонстрация рекордно низкой погрешности измерения времени в оптических часах на атомах тулия, что делает их перспективными для создания транспортируемых часов, поскольку атом тулия, в отличие от используемых ранее, отличается повышенной устойчивостью к внешним воздействиям.
Наноструктуры для управления светом
Новое направление в научных исследованиях посвящено изучению взаимодействия света с микро- и наноструктурами, расположенными на поверхности или внутри материалов. За последние 10–20 лет наблюдается значительный прогресс в этой области, обусловленный развитием технологий высокоточной наноструктурирования. Это направление часто называют нанофотоникой, а в случае использования металлических микроструктур — наноплазмоника. Материалы, содержащие наноструктуры, иногда называют метаматериалами, поскольку их свойства, такие как форма и размер структур, позволяют создавать искусственные материалы с заданными характеристиками, в том числе и с такими, которые отсутствуют в природе.
В России ведущие научные группы, занимающиеся исследованиями в данной сфере, сосредоточены в МФТИ, ИТМО, Сколтехе, МГУ, ФИАН, Институте спектроскопии РАН (ИСАН) и других научно-исследовательских центрах. Было установлено, что математическое описание света, локализованного в микроструктурах или распространяющегося по ним, имеет много общего с моделями, используемыми для изучения атомной структуры кристаллов и других твердых тел. Это позволило провести параллели между, казалось бы, совершенно различными системами и адаптировать множество концепций физики твердого тела для применения в нанофотонике.
В 2022 году в ИСАН были осуществлены новаторские исследования в сфере топологической фотоники. Концепция топологических изоляторов – веществ с необычной электронной структурой – уже давно известна в физике твердого тела: внутри они действуют как изоляторы, не проводя ток, однако на их поверхности присутствует тонкий слой, обеспечивающий практически безграничное проводящее состояние. Несколько лет назад появилась идея применения аналогичного принципа в фотонике, с созданием метаматериалов, в которых свет может распространяться исключительно по границе, при этом практически без потерь и рассеяния. Именно эту задачу удалось решить ученым из ИСАН.
Для эффективного управления характеристиками метаматериалов необходим широкий диапазон допустимых значений. В связи с этим, исследователи активно разрабатывают новые типы наноструктур. Так, группа ученых из МФТИ, ИТМО и МГУ предложила использовать усеченные конусы в качестве перспективных структур. Было установлено, что в отличие от обычных цилиндров или сфер, они проявляют более разнообразные свойства. Варьируя размеры элементов усеченного конуса, можно создавать материалы, полностью поглощающие свет, или, наоборот, обладающие высокой прозрачностью, или, к примеру, отклоняющие световой луч на 90 градусов.
Изучение поведения атомов в условиях экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю
Еще одна актуальная область, связанная с лазерами и оптикой, – это охлаждение атомов до экстремально низких температур с использованием оптических ловушек. Данная технология позволяет существенно снизить скорость движения атомов, достигая температур, близких к абсолютному нулю (–273,15 °C), что соответствует долям миллиардных и триллионных долей кельвина (1 кельвин равен 1 °C, но 0 кельвин соответствует абсолютному нулю).
В России исследования лазерно-охлажденных атомов ведутся в ИСАН, ОИВТ РАН, ФИАН, СПбПУ и ряде других научных организаций. Наименьшие температуры были достигнуты в лаборатории Института физики полупроводников РАН — всего 10 нанокельвин (10 –8 кельвин).
Эти системы находят применение в широком спектре исследований. Так, атомы, удерживаемые в ловушках, могут служить базовыми вычислительными единицами — кубитами — для реализации квантовых вычислений. В 2023 году в Физическом институте имени П.Н. Лебедева был разработан первый в России 4-кубитный комплекс, основанный на данной технологии.
С помощью дополнительного излучения, воздействующего на ультрахолодные атомы, возможно генерировать ультрахолодную плазму. В отличие от обычной плазмы, характеризующейся высокими температурами, изучение такой плазмы значительно упрощается, особенно учитывая, что многие процессы в ней замедляются из-за низкой температуры и ограниченного количества атомов, удерживаемых в ловушке. В Институте физики высоких давлений РАН впервые в мире была создана плазма, поддерживающая непрерывное существование. До этого момента все аналогичные исследования в мире проводились в импульсном режиме, что создавало трудности для проведения измерений.
Атомы, удерживаемые в оптических ловушках, находят широкое применение в фундаментальных исследованиях. Они позволяют изучать квантовые эффекты в условиях экстремально низких температур. Так, известно, что при охлаждении многие металлы приобретают свойства сверхпроводника. В Институте физики твердого тела РАН подобное превращение было показано и для атомов лития.
Электроника XXI века
Изучение поведения электронов в различных материалах и искусственных структурах является предметом многочисленных физических исследований. Ранее эти работы стали основой для развития электроники и создания широкого спектра электронных устройств. В настоящее время усилия ученых направлены на открытие и исследование ранее неизвестных эффектов в этой сфере, а также на разработку новых методов передачи информации в электронных системах.
Спи́нтроника – одна из быстрорастущих областей науки и техники. В отличие от традиционной электроники, где передача сигнала осуществляется за счет движения электрического заряда, спи́нтроника использует для этой цели спин электрона – еще одну его важную характеристику. Спин представляет собой меру, определяющую магнитные свойства электрона, который можно рассматривать как миниатюрный магнит. Управление спином с помощью магнитных полей обладает значительными преимуществами, поскольку исключает электрическое сопротивление и нагрев устройства.
В России исследованиями в этой и смежных областях занимаются практически во всех крупных научно-исследовательских центрах. Среди последних достижений стоит отметить разработку новых методов производства карбида кремния как материала для спинтроники, созданную в Институте проблем машиноведения РАН, и создание магнитных наноструктур спинтроники с выдающимися параметрами в Институте физики металлов УрО РАН. Исследователи из ФИАН установили, что добавление атомов церия в кристаллы иттриум-алюминиевого граната приводит к появлению чрезвычайно широкого спинового резонанса для электронов, что облегчает управление их спинами с помощью лазеров, а не магнитных полей. Кроме того, в Курчатовском институте разработали универсальный интерфейс между кремнием и кристаллическими оксидами — структурами, представляющими интерес для спинтроники. Данная технология упростит и удешевит их получение.
В начале 2000-х годов открытие, сделанное Андреем Геймом и Константином Новоселовым, выпускниками МФТИ, работавшими на тот момент в Манчестерском университете Великобритании, вызвало значительный резонанс в мировом научном сообществе. Они разработали метод получения графена – листа углерода толщиной в один атом. Это открытие стало отправной точкой для развития новой области науки: физики двумерных материалов. В настоящее время одноатомные листы успешно получают также из бора, кремния, фосфора, соединений серы или селена с некоторыми металлами, а также из других веществ. Такие материалы часто характеризуются уникальными свойствами, такими как крайне низкое сопротивление электрическому току, высокая теплопроводность и повышенная прочность.
В этих исследованиях также задействованы российские физики. Так, в ИТМО совместно с южнокорейскими коллегами в 2022 году разработали метод управления оптоэлектронными свойствами двух расположенных в непосредственной близости одноатомных слоев селенида молибдена и вольфрама путем изменения расстояния между ними. Оптоэлектронные устройства обеспечивают эффективное взаимодействие света и электроники, что открывает возможности для создания сверхбыстрых оптических процессоров. Специалисты МФТИ изучили еще один многообещающий оптоэлектронный материал – слой графена на поверхности нитрида бора – и выявили его необычайно высокую способность к поглощению света, что может оказаться значимым при разработке детекторов света или сенсоров. В 2023 году группа ученых из Курчатовского института и ИОФ РАН сумела расположить графен на поверхности кремния, содержащей микромагниты на основе европия. Подобные двумерные магнитные системы позволяют точно контролировать спин электронов и представляют интерес для спинтроники.
Не сопротивляясь электрическому току
Изучение сверхпроводимости является предметом многочисленных исследований как в мире, так и в России. Открытие резкого снижения сопротивления до нуля у многих веществ при понижении температуры произошло более столетия назад, однако для достижения сверхпроводимости долгое время требовалось охлаждение до температуры жидкого гелия (около –270 °C). Прорывом стало открытие в конце 1980-х годов нового класса сверхпроводников на основе купратов, демонстрирующих сверхпроводимость при более высокой температуре – около –150 °C. Это позволило использовать более доступный жидкий азот для их охлаждения. К сожалению, большинство из них оказались непрактичными из-за хрупкости и склонности к потере сверхпроводящих свойств.
Поиски продолжаются, и в последние годы значительные успехи были достигнуты в области поиска сверхпроводимости в гидридах — соединениях водорода с другими элементами. Для проведения этих исследований образцы обычно подвергают воздействию экстремально высокого давления, достигающего миллионов атмосфер. Однако, при этом удается достичь температуры сверхпроводящего перехода, близкой к комнатной: так, для соединения водорода, серы и углерода сверхпроводимость была зафиксирована при 15 °C и давлении около 3 миллионов атмосфер. Ожидается, что в будущем будут разработаны методы достижения аналогичного результата при более низких значениях давления.
В России исследованиями сверхпроводящих гидридов занимаются, среди прочего, Институт ядерной физики РАН и Институт кристаллографии РАН (ИК РАН). Специалисты этих центров получили несколько различных соединений водорода с железом, демонстрирующих сверхпроводимость. В сотрудничестве со Сколковским институтом науки и технологий (Сколтехом) ученым ИК РАН удалось также синтезировать гидриды иттрия и лантана с температурой сверхпроводящего перехода, достигающей примерно –20 °C. Важную роль в этих исследованиях играет численное моделирование, позволяющее прогнозировать сверхпроводимость в различных материалах. В настоящее время в Сколтехе и МФТИ сосредоточены одни из ведущих мировых специалистов в этой области.
Несмотря на это, традиционные сверхпроводники сохраняют свою актуальность, поскольку они позволяют создавать квантовые устройства. Так, микрокольца, изготовленные из сверхпроводников, могут служить кубитами – основными компонентами квантовых компьютеров, и в России исследования в этой области ведутся в МИСиС и Российском квантовом центре. Помимо этого, при объединении сверхпроводников с другими материалами можно создавать специализированные электронные устройства. Например, ученые ДВФУ продемонстрировали возможность применения структур, состоящих из сверхпроводника и ферромагнетика, для разработки энергонезависимых перезаписываемых логических схем, предназначенных для энергоэффективных вычислений.
В Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН) изучают новые материалы — магнитные сверхпроводники, которые ранее признавались невозможными. Сверхпроводники сложного состава, содержащие мышьяк, железо и европий, были открыты в 2016 году и обладают одновременно свойствами сверхпроводимости и ферромагнетизма. В этих материалах структура вещества организована слоями: слои арсенида железа, проявляющие сверхпроводимость, чередуются со слоями ферромагнитного европия. Данные вещества могут найти применение в области спинтроники.
О чем еще мы не рассказали
В рамках данного текста, к сожалению, не представляется возможным охватить все проводимые исследования в такой обширной стране, как Россия, и даже перечислить все институты и университеты, занимающиеся ими. Не было упомянуто и о применении физических методов в биологии и медицине, а также о геофизических исследованиях молний, волн на воде, аэрозолей в атмосфере или влияния солнечной активности на околоземное пространство. В России разрабатываются новые источники микроволнового излучения, изучаются сложные квантовые эффекты в полупроводниках, исследуются свойства вещества при сверхвысоких давлениях и многое другое. Надеемся, любознательный читатель сможет найти информацию об этом в периодических научно-популярных изданиях.
Социологические исследования российской науки свидетельствуют о том, что, подобно ситуации в XX веке, физика по-прежнему является ведущим научным направлением в России. Разветвленная система исследовательских центров, охватывающих территорию от Калининграда до Владивостока, позволяет проводить исследования, соответствующие мировому уровню. Несмотря на то, что ее масштаб пока не позволяет охватить все современные области физики, а финансирование не всегда обеспечивает приобретение новейшего оборудования, российские физики вносят значительный вклад в мировую науку. Реализация намеченных планов по новым проектам позволит усилить эту роль.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий», соглашение № 075-15-2024-571.