Елена Мирончук:
— Для ЛФИ появление этой лаборатории — долгожданное событие. Уже несколько лет существует идея создания научно-образовательного центра в области фундаментальной фотоники на базе нашей Физтех-школы вместе с ФИАН. Однако организация большого центра — задача очень сложная, и тогда директор ЛФИ Андрей Рогачев предложил: «А почему бы не начать с открытия пока одной, первой лаборатории?».

В результате все обстоятельства сложились удачно: и сильная идея, и проведение конкурса по программе «Приоритет 2030», и личная заинтересованность руководства, — все это позволило выстроить новый мостик отношений между ФИАН и МФТИ. А поскольку фундаментальная фотоника относится к тематике кафедры квантовой радиофизики, объединяющей немало инициативных людей, многие из которых — выпускники МФТИ и готовы с удовольствием работать со студентами, то мы уверены, что этот мостик будет со временем только крепче.

Гульнара Вишнякова:
— Добавлю, что и Елена, и я, и заведующий лабораторией Владимир Кривобок, и директор ФИАН Николай Колачевский, и многие наши коллеги — выпускники кафедры квантовой радиофизики. Именно благодаря поддержке кафедры, и административной, и материальной, нам удалось создать лабораторию, без ее помощи это было бы в сто раз сложнее. И мы надеемся, что наша лаборатория станет первым ростком, из которого в будущем может вырасти большой совместный исследовательский центр ФИАН-МФТИ.

Демонстрация классических эффектов на лабораторных работах очень важна, но благодаря нашему практикуму студент узнает, что такое современная лаборатория — это большой оптический стол, на котором огромное множество маленьких деталей и технологически сложных приборов. Такая лаборатория отличается от учебной, и сами студенты, становясь старше и начиная работу в научных лабораториях, неоднократно предлагали модифицировать лабораторный практикум в МФТИ. Ведь будущие ученые должны научиться пользоваться современными приборами и решать конкретные задачи. А в идеале научиться самостоятельно ставить эти задачи.

Таким образом, и запрос на реформы со стороны студентов, и задел и новые идеи со стороны кафедры, а также поддержка дирекции ЛФИ МФТИ и руководства ФИАН, — все вместе позволило нам организовать новый лабораторный практикум. Мы получили и административную поддержку кафедры общей физики: студентам, которые посещают наш практикум, ставят по нему оценку вместо оценки по практикуму по общей физике.

Лабораторные работы ведут научные сотрудники. Как правило, человек берет задачу из своей научной деятельности, выбирая из того, чем он занимается в лаборатории, то, что можно объяснить и показать третьекурснику. Автор обсуждает идею с руководством кафедры, возможно, вносит изменения в сценарий лабораторной работы. Сейчас у нас шесть авторов лабораторных работ, и они сами проводят их со студентами.

Основная идея нашего практикума — установление связи между современной физикой и тем, что преподается на базовых теоретических курсах. Например, самая простая задача — о прямоугольной потенциальной яме, которая есть и в рамках курса общей физики, и в рамках курса теоретической физики. На нашем практикуме ее можно проиллюстрировать на примере двумерного материала, т. е. посветить, измерить люминесценцию, записать формулу и сравнить то, что получилось, с реальными экспериментальными данными. Есть и другие работы, которые знакомят студентов с современным оборудованием, с современными подходами к научному эксперименту.

Огромный интерес эти соединения представляют благодаря своим электронным и оптическим свойствам. А именно, очень сильному изменению этих свойств при переходе от объемного материала к двумерному, где основную роль начинают играть уже квантовые эффекты.

Но еще больший интерес вызывает возможность компилировать двумерные материалы с разными свойствами. Создание из них гетероструктур — вот что открывает настоящие горизонты! Представьте такую картину: у нас в руках детали конструктора Лего, одна деталь — это дихалькогенид переходного металла, другая — например, графен, третья — изолятор типа слюды (она тоже слоистая, поэтому из нее можно получать тонкие пленки). Из таких «деталей» мы можем собирать, как Лего, любую конструкцию, дизайн которой разработаем. Причем дихалькогениды — это большой класс материалов с различными свойствами, и мы можем выбрать любые в этой «библиотеке» с шестью десятками наименований.

Так, например, мы сможем создать радиочастотный транзистор, собранный из атомарных пленок, настолько тонкий, что его невозможно сделать традиционными методами — травлением или литографией на кремнии или на арсениде галлия. Или, допустим, мы хотим разработать мультиспектральный детектор. Для этого мы соберем стопку из разных материалов, одни из которых будут детектировать свет в видимом диапазоне, другие — в инфракрасном, третьи — в ультрафиолетовом. В результате мы получим один пиксель размером несколько микрон и толщиной в нанометры, который будет улавливать излучение во многих диапазонах длины волны. А затем на его основе могут быть созданы новые космические или геофизические сканеры.

Основной упор в работе с такими функциональными материалами делается на том, чтобы получать интересные характеристики, находить параметры, превосходящие те, что имеют существующие материалы. И их может предоставить как раз семейство дихалькогенидов — слоистых полупроводников.

Чтобы добиться определенных параметров, необходимы фундаментальные исследования свойств этих двумерных материалов. Этим мы и занимаемся — с помощью скотча, а это до сих пор самый простой способ получения тонких пленок для многих научных групп, мы расщепляем кристаллы и высаживаем на целевую подложку один монослой, два, три или даже десятки монослоев. Затем исследуем их оптические свойства и то, как они меняются в зависимости от толщины слоя, как на них влияют возможные дефекты и примеси, которые мы добавляем легированием. Также мы занимаемся сборкой разных гетероструктур и пытаемся таким образом получить материалы с уникальными свойствами. А уже в следующем году мы начнем создавать устройства на основе тонких пленок, например, простые фотоприемники или транзисторы для исследования транспортных характеристик.

Вообще двумерные материалы, хотя и изучаются уже двадцать лет, обладают массой еще неизвестных свойств. И я думаю, что у нас впереди большой простор для фундаментальных исследований. А они, в свою очередь, откроют новые возможности для дизайна элементов и разработки устройств оптоэлектроники.

Атомы такого газа существуют «каждый сам по себе», не сильно друг с другом взаимодействуя. И это интересно, ведь свойства твердого тела, состоящего из какого-нибудь материала, очень отличаются от атомарных свойств этого материала, потому что в твердом теле слишком сильное взаимодействие атомов между собой. Мы же имеем дело с газом, и очень холодным. Точнее, очень-очень-очень холодным. Если зимний холод — это минус 20 градусов C, а благодаря технологии получения жидкого азота и жидкого гелия можно дойти до 4 градусов К, то технология лазерного охлаждения, которую мы используем, позволяет получать крайне низкие температуры — это сотни мК, десятки мК и даже ниже. А самые низкие температуры, полученные в подобных экспериментах — это десятки пК.

В ультрахолодных атомах один из самых значимых параметров — это температура. Соответственно, в нашей работе является важным ее измерение. Например, наша задача — получить максимально достижимую низкую температуру. И мы ее измеряем в зависимости от параметров, пытаемся понять, почему атомы получаются «горячее», чем предсказывает теория, и пытаемся дальше их охлаждать.

Если нужная температура уже достигнута, то дальше мы можем проводить эксперименты, нацеленные на проверку фундаментальных теорий — это одно из важных применений ульрахолодных атомов. Если изначально они были исключительно объектом исследований, но за последние десятилетия они стали и прикладным инструментом и даже имеют практическое применение.

Одно из их самых распространенных применений — это оптические стандарты частоты. В частности, единица времени — секунда — определена по частоте переходов в ультрахолодных атомах цезия. В свою очередь оптические стандарты частоты необходимы, к примеру, для навигации, потому что мы определяем наше местоположение по временам, за которое до нас дошли импульсы от спутников, а время измеряется в единицах принятого нами стандарта.

Другое интересное применение — это квантовые вычисления и квантовые компьютеры. Существует несколько платформ, на которых сейчас активно создаются квантовые компьютеры — это сверхпроводники, ультрахолодные атомы, ультрахолодные ионы и ряд других. Т. е. ультрахолодный атом тоже можно использовать как квантовый бит или кубит.

Еще одно не менее интересное применение — квантовые симуляции. Пусть у нас есть твердотельный объект или даже двумерный, как у моих коллег по лаборатории. И нам нужно узнать, как внутри объекта себя ведут электроны, понять их волновые функции. Ультрахолодные атомы — инструмент с прекрасным интерфейсом! И мы можем создать с помощью относительно простых подручных средств оптические поля, магнитные поля, потенциал (гамильтониан) в ультрахолодных атомах такие же, какие ионы создают для электронов, и посмотреть, как будут вести себя ультрахолодные атомы. Затем, проведя корректную аналогию, мы сможем рассказать, что происходит в исследуемом объекте.

Ультрахолодные атомы можно использовать в квантовых гравиметрах для очень-очень точного измерения гравитационного потенциала. В таких экспериментах облако ультрахолодных атомов подбрасывается, проводится его спектроскопия в определенных точках его баллистической траектории, и можно определять потенциал в точках. Это может быть полезно для создания карты гравитационного потенциала и для спутнико-независимой (автономной) навигации. Если у нас есть очень хорошая карта гравитационного потенциала и есть гравиметр, то мы можем ориентироваться независимо от спутника, автономно. Точные измерения гравитационного потенциала могут помочь и в поиске полезных ископаемых, т.к. то, что находится под землей, может повлиять на измерения и в результате быть обнаруженным.