Правительство Москвы вручило ежегодные премии молодым ученым. Среди лауреатов - коллектив молодых физиков: старший научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ Игорь Соловьев, доцент кафедры атомной физики и физики плазмы физического факультета МГУ Николай Кленов, аспирант кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ Сергей Бакурский. Молодые ученые получили премию за работу: «Разработка энергоэффективной сверхпроводниковой и полупроводниковой элементной базы для систем детектирования сигнала, приема и обработки информации». Мы публикуем интервью с учеными.
У кого вы учились, кто ваши учителя и коллеги в России и за рубежом?
Николай Кленов: Мои учителя – сотрудники кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники, а также лаборатории «Криоэлектроника» физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова: профессор А.М. Попов, О.В. Тихонова, О.В. Снигирев, мой научный руководитель – профессор В.К. Корнев.
Из числа групп, активно занимающихся в России сверхпроводимостью и сверхпроводниковой электроникой я бы хотел отметить, во-первых, коллектив МГУ имени М.В. Ломоносова под руководство профессора Михаила Куприянова, во-вторых, лабораторию сверхпроводимости ИФТТ РАН (Черноголовка), возглавляемую профессором Валерием Рязановым. Кроме того, недавно были созданы мощные «центры притяжения» в Долгопрудном (МФТИ) и Москве (МИСиС), где процессом руководят такие ученые с мировым именем, как Александр Голубов, Олег Астафьев и Алексей Устинов, также давно и успешно работают в той же Москве «отряды» Григория Гольцмана (МПГУ/НИУ ВШЭ), Валерия Кошельца (ИРЭ РАН) и Александра Гудкова (НИИФП им. Ф.В. Лукина). Еще можно назвать кафедру физики твердого тела Казанского государственного университета (профессор Л.Р. Тагиров) и лаборатории Нижнего Новгорода (ИФМ РАН и ННГТУ им. Р.Е. Алексеева).
Игорь Соловьев: Мы учились с Николаем у одних учителей. В школьные годы на меня большое влияние оказала моя учительница музыки – Смелянская Галина Владимировна, сейчас она преподает в ДМШ имени Эдварда Грига. Перед поступлением в институт мне посчастливилось встретиться с замечательным педагогом по математике – Сергеем Анатольевичем Гришиным, который в настоящее время является доцентом кафедры математики в МИФИ. Наконец, в годы аспирантуры я многому научился у наших коллег, уехавших за рубеж. Это Анна Юрьевна Херр (Кидиярова-Шевченко) – профессор в Чалмерском университете технологий (Гетеборг, Швеция), также она работает в Northrop Grumman (США), и Олег Александрович Муханов – вице-президент по технологии компании HYPRES, Inc. (США). Михаила Юрьевича Куприянова из МГУ, о котором упомянул Николай, я думаю, мы все так же можем отнести к своим учителям.
Среди групп активно занимающихся сверхпроводимостью, думаю стоит еще обязательно отметить лабораторию теории мезоскопических систем Института физики микроструктур РАН (г. Нижний Новгород) Александра Сергеевича Мельникова. Кстати, с ним активно работает наш коллега из МГУ — Девятов Игорь Альфатович. Там же в Нижнем Новгороде есть лаборатория в ННГТУ им Р.Е. Алексеева под научным руководством Леонида Сергеевича Кузьмина.
Есть «центр сверхпроводимости» и в Сибири — в Новосибирском государственном университете, лаборатория под руководством Якова Симхоновича Гринберга.
Безусловно мы не сможем перечислить всех, кто занимается. сверхпроводимостью, мы лишь назвали группы, работы которых близки к нам по тематике.
Сергей Бакурский: Учителей обязательно нужно поблагодарить. Прежде всего хочу отметить работу учителей 654 школы. Особенно хотелось бы поблагодарить Георгия Евгеньевича Никулина, преподающего в МАТИ и ведущего спецкурсы по физике в нашей школе. Именно он и открыл замечательный мир физики для множества своих учеников.
Из преподавателей физического факультета МГУ стоит отдельно назвать Михаила Владимировича Семенова, Валентину Викторовну Колыбасову, Михаила Александровича Олеванова, Александра Михайловича Попова и Константина Владимировича Парфенова. Все эти целеустремленные люди уже много лет ведут семинары по физике и математике на высочайшем уровне. И конечно, я не могу не упомянуть моих научных руководителей, Михаила Юрьевича Куприянова и Александра Голубова, мудрые советы которых никогда не пропадали даром.
Если же вернуться к лабораториям занимающимся сверхпроводимостью в России, то самые значимые из них уже названы моими коллегами. Могу добавить, что есть еще целый ряд ученых из института теоретической физики им. Ландау из Черноголовки под руководством Михаила Викторовича Фейгельмана. Однако, как уже заметил Игорь, мы перечислили в основном группы, работающие в близкой нам тематике сверхпроводниковой электроники.
Проект вашего коллектива направлен на разработку технологий приема и обработки информации нового поколения. О чем именно идет речь?
Игорь Соловьев: Если объяснять популярно, то в устройствах, принимающих сигнал и обрабатывающих информацию, мы начали применять эффект сверхпроводимости. Этот эффект позволяет сделать устройство более энергоэффективным и одновременно более быстрым. Для понимания: под принимающим устройством мы подразумеваем, к примеру, базовую станцию сотовой связи, расположенную на крыше дома или любой другой высоте. А устройство, обрабатывающее информацию – это, к примеру, супер-компьютер, который решает некую сложную задачу по хранению и обработке информации. Когда мы пользуемся социальными сетями, где-то расположен огромный центр обработки данных, который обеспечивает функционирование приложений и хранение всей информации. Такие центры потребляют гигантское количество энергии - до 100 мегаватт. Это сравнимо с большим металлургическим предприятием. Такое положение дел заставит нас уже в ближайшем будущем переходить на новые технологии вычисления, хранения и обработки информации. И эту задачу могут решить сверхпроводники. С их помощью можно хранить и обрабатывать сигналы практически без затрат электроэнергии по сравнению с текущим уровнем.
Что касается приемных устройств, то у них другая проблема. При росте числа абонентов той же мобильной связи требуется передача все большего объема контента. А для этого требуется более эффективное использование выделенной полосы частот. Решением может стать динамическое перераспределение передаваемой информации по частотам, но для этого нужен широкополосный прием. Использование сверхпроводников позволяет обеспечить такой прием и передавать данные более эффективно. Фактически речь идет о новых стандартах связи. Хотя и для существующих стандартов наша технология позволит сотовым операторам ставить на передающие станции не кучу различных устройств, а одно. В результате это окажется многократно дешевле в закупке, проще в обслуживании и эффективнее в качестве работы.
Ваш коллектив первый, кто работает над такой технологией?
Игорь Соловьев: Самой проблемы не существовало. До сих пор в мире активно развивалась именно полупроводниковая технология. Все было бы замечательно и дальше, но эта технология начала упираться в некоторые фундаментальные проблемы. Дело в том, что прогресс полупроводниковой технологии держится на масштабировании. Может быть слышали про так называемый «закон Мура»? При уменьшении характерных размеров функциональных элементов чипа его производительность все время увеличивается, при том что стоимость, грубо говоря, остается прежней. По объективным причинам до бесконечности это продолжаться не может. Пока этот вопрос не встал принципиально, никто особенно и не задумывался о создании новой технологии. Ведь для этого требуются новые материалы, базовые элементы, разработки и очень серьезные затраты. То есть нельзя сказать, что совсем никто не думал об этом. Просто не очень активно этим занимались. Лишь в последние годы вместе с головокружительным взлетом цифровых технологий проблема стала очевидной. В США на государственном уровне принята 5-летняя программа по разработке сверхпроводникового компьютера.
Чем ответят российские специалисты?
Игорь Соловьев: Мы уже научились делать многие базовые элементы. В принципе, и со схемотехникой проблемы нет, хотя она развита у нас хуже. Во многом из-за того, что профессионалы в этой области предпочли работать за рубежом. Главное, что нам удалось ликвидировать «ахиллесову пяту» цифровой сверхпроводниковой технологии – маленький объем памяти. Дело в том, что сейчас память формируется на магнитных элементах. Вспомним про магнитные жесткие диски. А магнетизм и сверхпроводимость – это антагонистические явления, взаимоубивающие друг друга. Недавно мы получили многослойную тонкопленочную структуру, с помощью которой можно эти конфликтующие эффекты помирить. Это совершенно передовая технология. Фундаментальные исследования в этой области у нас традиционно сильно развиты.
Фрагмент схемы считывания состояний элементарных ячеек квантового компьютера
Речь уже идет о прикладных разработках?
Игорь Соловьев: Безусловно. У нас продемонстрированы не только расчеты, но и созданы экспериментальные прототипы, на конструкции которых поданы заявки на патенты. Что касается еще одного направления нашей работы – широкополосного приема – то здесь успех еще более впечатляющий. Объясню: приемники, помимо широкополосности, должны обладать еще и высокой линейностью для приема нескольких сигналов на близкой чистоте. Это необходимо для недопущения искажения сигнала. Нашему коллективу удалось создать детектирующие элементы, обладающие высокой линейностью, и уже получен соответствующий патент.
В России у вас есть конкуренты?
Игорь Соловьев: Скорее коллеги. Первые разработки, доказывающие возможность создания гибридного элемента на основе сосуществования ферромагнитизма и сверхпроводимости, были сделаны нашими учеными в Черноголовке. Как я уже говорил, разрабатывалась эта тематика и в Нижнем Новгороде. Однако они использовали несколько иной принцип, а работы носили преимущественно фундаментальный характер. Сейчас ведутся работы и в Казанском университете. С некоторыми экспериментальными группами в последние годы мы вели совместные исследования.
Вы в науке больше 10 лет. Как менялась ситуация с финансированием научных исследований.
Игорь Соловьев: В начале 2000-х годов больше денег приходило со стороны западных фондов. Но в то время приходилось работать в тесной коллаборации с какой-нибудь иностранной компанией. Результаты, разумеется, уходили заказчику. Сейчас, слава богу, этому положен конец, и все наши исследования финансируются из России. Но денег стало меньше.
Но существует другая проблема. В нашей научной области отсутствует системный подход к разработке и внедрению той или иной технологии. Часто этот вопрос отдается на откуп самим ученым. И если у распределителя денег нет четкого понимания того, что он хочет получить на выходе, то часто мы имеем то, что получилось, а не то, что нужно.
Например…
Вот возьмем, к примеру, космическую отрасль и ракету «Ангара». Здесь цель очевидна – нужна ракета, которая улетит в космос. Долгое время не было никакого прогресса и в какой-то момент поменяли ключевых людей в проекте. Очень скоро результат был достигнут: отрасль начинает получать масштабное финансирование, возникает множество новых проектов. В нашей области такой подход, к сожалению, отсутствует.
Может быть задача, которую решает ваш коллектив, не является приоритетной?
Игорь Соловьев: Все очень просто. Если у нас не будет своих технологий, то начнутся проблемы с безопасностью, импортозамещением и так далее. Необходимо оперативно реагировать на вызовы, поставленные временем и самим прогрессом. Мы не можем позволить себе расслабиться, так как нам буквально дышат в спину. Это те технологии, которые будут в самом ближайшем будущем. Если не успеем, опять останемся «во вчера».
Но, как и с космической отраслью, безусловно, нужна программа развития, цель, стартовые проекты, внимание к кадрам. Правда, если в области сильноточной сверхпроводимости все очевидно – в проводе отсутствуют потери при передаче энергии, его сразу же можно использовать в оборудовании электростанций и это даст экономический эффект, то у нас – электроника, задачи более сложные. То есть продукт более высокотехнологичный и с этим, на мой взгляд, могут быть связаны проблемы при его разработке.
А можно ли начать с чего-то более простого, что можно было бы сразу применить на практике?
Игорь Соловьев: Да, конечно. Если уж зашла речь про космос, не секрет, что во всех летательных аппаратах важным компонентом навигационной системы является гироскоп. Те, кто знаком с вопросом, знают, что сегодняшние конструкции гироскопов, например механических, не отличаются особенной надежностью ввиду конструктивных особенностей. Особенно экстремальными условиями для их работы являются перегрузки, возникающие при стартах ракет. С использованием сверхпроводимости можно было бы создать гироскоп без подвижных частей, который бы одинаково хорошо работал в любых условиях. Вообще, навигационные приборы, необходимо связанные с приемом и обработкой сигналов, отличное поле для применения сверхпроводимости.
Во многих областях требуются высокочувствительные датчики магнитного поля и высокочастотного излучения. Например, в медицине для различных обследований, в биологии, физике, химии, астрономии, при мониторинге окружающей среды. Сверхпроводниковые датчики обладают совершенно уникальной чувствительностью. На их основе можно создавать, например, защищенные каналы связи, передача информации в которых контролируется на квантовом уровне, что физически исключает возможность подслушивания. Эта технология называется «квантовая криптография» и такие каналы уже реализованы на практике. И речь здесь идет не о лабораторных образцах, а о практических многокилометровых каналах. Так что если осознанно, на государственном уровне, развивать технологию сверхпроводниковой электроники от простого к сложному, то мы на том же уровне могли бы получить и преимущества сразу же во многих областях.
Планы вашего коллектива «на завтра»?
Игорь Соловьев: В ближайшем будущем мы планируем переход на стадию опытно-конструкторских работ по созданию прототипов сверхпроводниковых супер-ЭВМ, крипто-систем, приемных когнитивных радиосистем, принципы функционирования которых уже описаны. Эта работа может вестись как на базе университетов, так и с привлечением профильных организаций – НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, являющейся головной отраслевой организацией Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России по прикладным и ориентированным НИОКР по направлению «Наноэлектроника». После завершения этого этапа нужно будет привлекать инвестиции для создания совместных предприятий для выпуска готовой продукции. Но эта работа действительно в будущем. А вот вопросы сверхпроводниковой электроники нужно решать уже сейчас.