Алексей Вагов: «Метаматериалы должны служить людям»

Алексей Вагов

Фото из личного архива

Одна из новых международных лабораторий, которая начнет работать в Высшей школе экономики в 2022 году, — Центр квантовых метаматериалов, создаваемый на базе МИЭМ. Об основных направлениях его исследований, о коллективе и перспективах научного сотрудничества рассказал заведующий центром Алексей Вагов.

— Алексей Вячеславович, что такое квантовые метаматериалы? Чем они отличаются от обычных материалов и соединений?

— В мире существует большое количество различных материалов и соединений. Но для использования в повседневной жизни надо, как правило, улучшать и модифицировать их свойства, например с помощью физической, химической обработки и наноинженерии. По сути, все технологическое развитие человечества — это изменение способов обработки материалов. Чтобы сделать каменный топор, камень надо обтесать и прикрутить к рукоятке, а чтобы сделать ось для телеги или паровоза, надо плавить железную руду и ковать полученное железо.

За последние два десятилетия технологии достигли такого уровня развития, когда обработка происходит контролируемым образом на уровне отдельных атомов или их конфигураций.

Комбинируя последовательности атомов разного типа, можно получить метаматериалы. Название происходит от греческого «мета», означающего «за пределами». Они обладают свойствами, не присущими ни одному из материалов, входящих в их состав

В принципе, метаматериалы известны довольно давно. Например, их создают для оптических приборов и волноводов для радиоволн. Но технологии сегодняшнего дня позволяют создавать структуры с характерными размерами в несколько нанометров и даже меньше. А на таких масштабах решающую роль играют квантовые эффекты. Эти эффекты могут помогать, а могут мешать, поэтому крайне важно «сделать их нашими друзьями». А для этого их необходимо исследовать и понимать, как они влияют на свойства метаматериалов.

— Чем интересны квантовые математериалы для науки и практики? Зачем их нужно изучать?

— Метаматериалы, полученные таким способом, в природе не встречаются, и, что очень важно, их свойства можно подстраивать под заданные характеристики. Например, полупроводниковые «квантовые точки» имеют размер 2–5 нанометров, и их оптические свойства делают их похожими на атомы. Только их спектры излучения лежат совсем в другом диапазоне, нежели у реальных атомов. «Точки» можно использовать для создания идеального источника излучения единственного фотона, так необходимого в квантовой информатике.

Другой пример — массивы близко расположенных сверхпроводящих проводов с нанометровым сечением. Такие провода можно делать из материалов с одним типом магнитных свойств, а вот сверхпроводящие магнитные свойства всего массива могут быть такими, которые никогда не встречаются в обычных сверхпроводниках. Это расширяет возможности применения сверхпроводящих элементов в наноэлектронике.

В настоящий момент исследования в этом направлении развиваются очень быстро во всем мире. Интерес к квантовым метаматериалам на стыке фундаментальной науки и технологий обусловлен большими возможностями, которые они предоставляют. Область их применения — весь спектр деятельности человека — от повседневной одежды до квантовых вычислений.

— Расскажите о коллективе вашего центра. Как он сформировался? Каким опытом работы в России и за рубежом обладают его сотрудники?

— Научное сотрудничество основных членов команды нашего центра началось давно. Его основные участники — профессора Франсуа Петерс, Аркадий Шаненко, Михаил Кроитору и я — знакомы много лет по совместной работе как в России, так и в зарубежных университетах. Наши научные интересы совпадали уже тогда, и результаты наших многолетних исследований отражены более чем в ста совместных статьях, представлены на десятках международных конференций.

Профессор Франсуа Петерс — ведущий ученый, полный профессор Антверпенского университета (Бельгия) — стал научным руководителем нашего центра. Он выдающийся специалист в области квантовых материалов, автор более тысячи работ и монографий, постоянный соавтор лауреатов Нобелевской премии Андрея Гейма и Константина Новоселова, действительный член Королевской академии наук Бельгии и избранный член Европейской академии наук.

Главный научный сотрудник центра Аркадий Шаненко работал в Лаборатории теории конденсированных сред профессора Петерса в Антверпенском университете, был приглашенным профессором в университетах Венгрии и Италии, около семи лет работал в Федеральном университете Пернамбуку (Бразилия).

Ведущий научный сотрудник центра профессор Михаил Кроитору получил степень PhD в Антверпенском университете, работал в университетах Бельгии, Германии, Франции, Тайваня, а последние четыре года — также в Федеральном университете Пернамбуку.

Лично у меня тоже есть большой опыт работы в различных университетах и научных центрах на разных континентах, в том числе в Антверпенском университете, и опыт взаимодействия с профессором Петерсом. PhD я получил в Австралийском национальном университете в Канберре, Habilitation (высшую академическую квалификацию) — в Университете Байройта в Германии и последние десять лет являюсь приват-доцентом этого университета. Участвовал во многих национальных, европейских и мировых исследовательских проектах, руководил такими проектами.

— Как возникла идея создания Центра квантовых метаматериалов именно на базе МИЭМ?

— Идея создания центра возникла, когда Аркадий Шаненко вернулся в Россию из Бразилии и приступил к работе в НИУ ВШЭ. Мы стали думать, как организовать взаимодействие, и решили создать группу на базе МИЭМ, сделать ее центром наших российских и международных проектов.

Мы проанализировали тематику международных лабораторий, работающих в Вышке, и с удивлением обнаружили, что лаборатория, которая занималась бы современными функциональными и квантовыми материалами, пока не создана. Тогда идея нашего объединения окончательно сформировалась. Как ни странно, помогла пандемия ковида: дистанционная работа дополнительно расширила тематику исследований всех участников, что легло в основу создания центра.

— Как вы планируете организовать сотрудничество центра с другими подразделениями Вышки, обеспечить его интеграцию в образовательные и научные проекты университета?

— Что касается научной деятельности, то в рамках МИЭМ планируется взаимодействие с Научно-учебной лабораторией квантовой наноэлектроники профессора Константина Арутюнова, с группой профессора Григория Гольцмана и группами прикладной математики. Мы также очень заинтересованы в тесных контактах с коллегами с факультета биологии и биотехнологии, с факультета химии.

Сотрудники центра будут проводить лекции и семинары для студентов МИЭМ по предметам, входящим в учебные планы. Мы предложим новые темы для изучения, непосредственно связанные с проблемами, которыми занимается наш центр

Будем вводить новые форматы обучения, основанные на инновационных подходах, например лабораторные работы по теоретическим предметам.

И конечно, мы намерены привлечь студентов старших курсов и аспирантов МИЭМ к работе в нашем центре в рамках национальных и международных проектов, организовать студенческие обмены с зарубежными университетами, используя наши профессиональные связи. Конечно, студенты смогут стажироваться в лаборатории профессора Петерса в Антверпенском университете.

— Каковы ваши исследовательские планы на ближайшую перспективу? Каких результатов планируете достичь?

— Первостепенная задача — сделать Центр квантовых метаматериалов ведущей научной лабораторией, которая будет осуществлять теоретическое и компьютерное моделирование современных функциональных метаматериалов.

Мы будем участвовать в современном коворкинге, который объединяет ученых всех континентов. Планируется тесное взаимодействие с университетами США, Германии, Италии, Бразилии, Австралии, Китая. Профессор Шаненко является одним из основателей международной научной сети MultiSuper, и мы планируем сделать наш центр российской гаванью этой сети, что существенно облегчит контакты с нашими коллегами в коллективах, изучающих сходную тематику.

Однако мы не хотим замыкаться исключительно на теоретической деятельности, так что будем сотрудничать с экспериментальными и инженерными группами для разработки возможных приложений и поиска путей применения результатов наших исследований. Квантовые метаматериалы должны служить людям.

Кроме того, займемся популяризацией науки и научной деятельности в студенческой среде Вышки и за пределами университета, будем рассказывать о нашем центре. Мы как ученые видим в этом залог высокого качества работы будущих коллег, которых готовит Высшая школа экономики.