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, вот директор ЛФИ Андрей Рогачев и 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.

Идея сделать новый практикум доступным для всех студентов ЛФИ идет от дирекции Физтех-школы в ответ на запрос самих студентов модифицировать лабораторный практикум по физике в МФТИ. Демонстрация классических эффектов на лабораторных работах очень важна, но будущие ученые должны уметь пользоваться современными приборами и решать конкретные задачи, а в идеале — самостоятельно ставить эти задачи. И учебные практикумы должны этому способствовать. Между дирекцией ЛФИ и кафедрой общей физики было достигнуто соглашение, что третьекурсники могут пройти наш практикум как альтернативу стандартному практикуму по общей физике, записавшись на него в мае в конце второго курса. Студенты других физтех-школ также имеют возможность посещать наш практикум по индивидуальной договоренности. В этом году, кстати, двое этой возможностью воспользовались.

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 слоистой двумерной гетероструктуры, т. е. осветить ее лазером, измерить люминесценцию, решить уравнение 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.

Если посмотреть с практической точки зрения, то у этих материалов достаточно высокий потенциал. Например, они могут найти применение в СВЧ-электронике, в различных детекторах излучения — можно строить мультиспектральные детекторы с использованием дихалькогенидов. Плюс светоизлучающие и фотовольтаические устройства — те же солнечные ячейки с более высоким КПД. А некоторые дихалькогениды могут быть использованы в качестве катализаторов для химических реакций.

Замечу, что дихалькогениды известны более сорока лет и применяются в качестве объемного материала для практических целей. Однако после открытия графена, причем полученного простейшим способом, ученые обратили внимание на другие материалы и стали столь же просто получать их тонкие пленки и изучать свойства. Так произошло и с дихалькогенидами.

Еще больший интерес вызывает возможность сборки двумерных материалов 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 (полупроводник), другая — например, графен, третья — изолятор типа слюды (она тоже слоистая, поэтому из нее также 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 из этого широкого набора 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 геофизические сканеры.

Основной упор в работе с такими функциональными материалами делается на том, чтобы предсказывать и 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 и чистый способ получения тонких пленок для многих научных групп, мы расщепляем кристаллы и высаживаем на подложку десятки, три, два или даже один монослой. Затем исследуем их оптические свойства и то, как они меняются в зависимости от толщины слоя, как на них влияет материал подложки, возможные дефекты и примеси пленки, которые мы добавляем легированием. Также мы занимаемся сборкой разных гетероструктур и пытаемся таким образом получить материалы с уникальными свойствами. А уже в 2024 году мы начнем создавать устройства на основе тонких пленок, например, простые фотоприемники или транзисторы для исследования транспортных характеристик.

Вообще двумерные слоистые материалы, хотя и изучаются уже двадцать лет, обладают массой еще неизвестных свойств. Некоторые представители остаются неизученными до сих пор. 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.

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 стали и прикладным инструментом и даже имеют практическое применение.

Одно из их самых распространенных применений — это 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, интегральная фотоника 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 аналогичный тому, какой ионы создают для электронов, и «просто» 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 таким образом можно измерять ускорение свободного падения. 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.