От математической школы до открытий по физике

― В науке я уже более 20 лет. Прошел путь от физико-математической школы, физического факультета МГУ, практики в компании, обучения за рубежом и наконец руководства лабораторией.

Когда учился в школе, мне очень нравилась математика, а вот физика казалась сложной. Но когда возник вопрос, куда поступать, решил, что пойду на физический факультет, чтобы лучше разобраться в этом предмете. До поступления я не очень понимал, что именно представляют собой исследования. В школьных задачах ведь механизм решения и конечный результат, как правило, известен ― просто пока скрыт для конкретного ученика. Но когда я поступил в вуз и начал работать в научной группе, оказалось, что есть задачи, ответа на которые не знает никто, нужно сидеть и разбираться. Как раз это меня больше всего и зацепило, поэтому я решил остаться в научной группе до конца обучения. Это был полезный опыт: я занимался исследованиями на стыке оптики и экологии, в частности спектроскопией воды для выявления загрязнений.

После выпуска я решил получить и более прикладные навыки и пару лет проработал инженером в компании, где разрабатывал электронные компоненты для разных устройств. Этого времени хватило, чтобы отдохнуть от науки, попробовать что-то новое и понять, что мне нравятся именно научные исследования ― я четко увидел, что именно научные исследования и лежат в основе всех прикладных технологий.

По возвращении в науку я бросил себе новый вызов и поступил в Колорадский университет в Боулдере. Это известный в США вуз, который специализируется на оптике, квантовой физике и полупроводниках ― как раз в тех направлениях, в которых я хотел развиваться. Университет примечательный: именно здесь работали четыре нобелевских лауреата по физике: Эрик Корнелл, Карл Виман (2001 год), Джон Холл (2005 год) и Дэвид Уайнленд (2012).

В Колорадском университете в Боулдере я выбрал научную группу по нанофотонике и стал заниматься нанофокусировкой плазмонов. Чтобы лучше объяснить, что это такое, представьте себе электрод в виде острой иглы, на острие которой очень хорошо фокусируется свет. Мне пришло в голову, что с помощью такой иглы можно зондировать графен, а затем и полупроводники, то есть исследовать их физические свойства с помощью внешнего излучения. Благодаря зондированию удалось добиться нелинейного оптического отклика — я светил одной частотой, а получал обратно удвоенную или утроенную частоту света. На основе нанофокусировки я создал методику, которая помогает изучать, как очень быстрые процессы происходят в наномасштабе разных материалов, например, как переносится энергия в пространстве и во времени. Эту методику ученые используют до сих пор, чтобы изучать эффекты затухания квазичастиц — плазмонов и экситонов. Новые знания помогают создавать более быстрые и энергоэффективные оптоэлектронные устройства для передачи и обработки информации, в том числе для ИИ-вычислений, и элементы для квантовой коммуникации.

После обучения в США я рассматривал разные университеты в Испании, Швейцарии и Великобритании, но в итоге нашел то, чем хотел заниматься, именно в ИТМО.

А именно речь о двумерных полупроводниках и материалах, нанофотонных структурах и сильном взаимодействии света с веществом. В то же время ИТМО выиграл мегагрант Минобрнауки на изучение гибридных состояний света в веществе в низкоразмерных квантовых материалах для оптической передачи информации и вычислений. Руководил исследованиями профессор Морис Сколник из Университета Шеффилда и мой теперешний коллега, профессор Нового физтеха ИТМО Иван Шелых. Я пообщался с Морисом, он пригласил меня в научную группу, и так я оказался в Петербурге.

Здесь же пять лет назад я впервые стал руководить аспирантами ― пока на данный момент выпустил двух человек. Научное руководство стало органичным продолжением моей карьеры. Сейчас я больше посвящаю себя административной работе — пишу заявки на гранты, рецензирую научные статьи, представляю научный вклад группы на конференциях. Чтобы исследования не проседали, мне нужны помощники, ими как раз выступают аспиранты. Мне нравится учить их всему, что я умею сам, и наблюдать, как они становятся самостоятельными учеными, способными брать ответственность за работу.

Например, одно из научных достижений, которым я горжусь, удалось сделать благодаря аспиранту четвертого курса Нового физтеха ИТМО Артему Абрамову. Мы исследовали и описали механизм формирования источников одиночных фотонов на основе монослоя двумерного полупроводника. Генерация именно одиночных фотонов — критически важная задача, которая помогает усиливать безопасность передачи данных в квантовой коммуникации, вычислениях и криптографии. Пара фотонов повышает риск утечки данных, но если злоумышленник перехватывает одиночный фотон, частица разрушается, данные исчезают, а значит и перехватить их незаметно уже невозможно.
 

Научные исследования группы

― Я выступаю соруководителем лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы». Здесь мы развиваем направления на стыке оптики и двумерных полупроводников, с которыми я познакомился еще в аспирантуре. Например, изучаем, как взаимодействует свет с двумерными полупроводниками, и на основе найденных эффектов придумываем новые концепции и устройства, которые сделают более быстрыми, надежными и энергоэффективными передачу и обработку информации, ИИ-вычисления и квантовые коммуникации.

Сейчас мы занимаемся тремя направлениями:

Оптика и оптоэлектроника двумерных полупроводников и гетероструктур. Мы работаем над созданием компактных квантовых оптоэлектронных устройств для более быстрой и надежной передачи и обработки данных. Недавно мы с моими аспирантами Иваном Калантаевским и Артемом Абрамовым первыми обнаружили новый эффект, усиливающий в 80 раз ток экситонов (квазичастицы с нулевым зарядом, созданные из отрицательно заряженного электрона и «дырки» — положительно заряженной квазичастицы), и создали специальную платформу для управления таким током на наноуровне. Она позволит создавать энергоэкономичные, более быстрые и компактные экситонные интегральные схемы в наномасштабе для передачи данных и ИИ-вычислений.

Экситон-поляритоны в полупроводниковых структурах. Сейчас в качестве носителей данных для кодирования, передачи и обработки информации ученые используют электроны. Но из-за рассеяния такие частицы могут потерять свой спин (момент импульса частицы) и соответственно часть информации. Поэтому в качестве альтернативы мы предлагаем частицы со смешанными состояниями — экситон-поляритоны. Экситоны — квазичастицы с нулевым зарядом, созданные из отрицательно заряженного электрона и «дырки» (положительно заряженной квазичастицы), а поляритоны — гибридные квазичастицы, которые возникают при сильном взаимодействии экситона и фотона в микрорезонаторе. Фишка экситон-поляритонов в том, что они обладают свойствами как света, так и вещества, то есть сочетают скорость света и спиновую устойчивость. Это позволяет сделать процесс работы с информацией более надежным и устойчивым. Например, с помощью экситон-поляритонов мы уже придумали, как эффективно и сверхбыстро управлять светом в интегральных фотонных волноводах с помощью лазера, а не механическими или электрическими воздействиями. Результат работы можно использовать для создания основы сверхбыстрых оптических чипов, которые ускорят ИИ-вычисления.

Взаимодействие света с веществом в квантовых материалах. Здесь мы с моим аспирантом Артемом Абрамовым разрабатываем интегрированные устройства, в которых источники одиночных фотонов на базе двумерных полупроводников объединены с резонансными нанофотонными структурами. Такие устройства пригодны для квантовой связи, квантовых компьютеров и безопасной квантовой криптографии. Также мы занимаемся разработкой квантовых симуляторов — это специализированное подмножество квантовых компьютеров, которое сфокусировано на решении одного класса задач и выполняет их гораздо эффективнее традиционных систем обработки информации. Например, могут смоделировать квантовые физические процессы — движение электронов в кристаллической решетке, взаимодействие атомов, возникновение нейтронных звезд.

Также мы начинаем развивать новое направление, связанное с двумерными магнитными материалами. Их можно намагничивать с помощью лазера и таким образом менять характеристики магнитного порядка — например, настраивать собственное магнитное поле. С помощью двумерных магнитных материалов можно будет увеличить скорость записи и считывания и плотность информации по сравнению с существующими решениями. Это открывает нам путь к устройствам памяти нового поколения, например твердотельным накопителям и лежащим в их основе ячейкам памяти типа SSD и HDD.

Эти исследования мы реализуем на средства программы «Приоритет-2030», также на эти проекты мы выиграли пять грантов РНФ (№ 25-72-20029, 25-42-01019, 25-22-20038, 25-12-00119 и 25-72-20030).

В этом году на работу группы мы получим около 30 млн рублей.

Кроме того, мы работаем с партнерами, среди них — Академический университет им. Ж.И. Алферова, СПбГУ, физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН в Петербурге, МФТИ, Российский квантовый центр, «Росатом», Пхоханский университет науки и технологий (POSTECH) в Южной Корее и Университет Тунцзи в Китае.

Работа с аспирантами

― В лаборатории я руковожу командой физиков-экспериментаторов, но также у нас работают и теоретики. Это не только аспиранты, но и студенты бакалавриата и магистратуры ― суммарно под моим руководством находится около 20 человек. Причем это разные специалисты ― физики-оптики, материаловеды и даже химики. Когда принимаю студентов в группу, в первую очередь смотрю, чем им интересно заниматься. Также важно, чтобы будущий участник группы умел работать руками, у нас нужно не только придумывать, но и собирать, настраивать или чинить экспериментальные установки.

На физическом факультете (Новом физтехе) ИТМО лабораториями и оборудованием пользуются разные научные группы, то есть у нас нет сложностей с тем, чтобы проводить разнообразные исследования. Для некоторых экспериментов у нас есть уникальные установки. Среди них — гелиевый криостат, в котором до шести Кельвинов охлаждаются магниты и другие материалы для исследований. Кроме того, у нас есть лазерная система. Ее можно перестраивать в большом диапазоне энергий, и это позволяет создавать короткие лазерные импульсы с заданной длиной волны.

Работают на этом оборудовании, естественно, и аспиранты. Кроме того, у нас в аспирантуре есть и другие опции, которыми стоит воспользоваться.

Например, можно:

Подать идею на конкурс практико-ориентированных научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ (ПО НИОКТР). В случае успешной защиты команда получает финансирование проекта в размере 2,5 млн рублей в год в течение двух лет, доступ к научной базе университета и помощь с документацией, тестированием и поиском проблем в эксплуатации прототипов. За 2025 год в рамках конкурса поддержали два проекта от студентов и ученых физического факультета ИТМО.

Реализовать междисциплинарный студенческий проект с помощью ITMO Collab. Аспиранты могут возглавить команду студентов из разных мегафакультетов ИТМО, предложить идею, которая соотносится с целями стратегических проектов университета, и получить до миллиона рублей на развитие собственного проекта. За 2024–2025 сезон ITMO Collab победителями стали два аспиранта Нового физтеха ИТМО, среди которых и мой студент Артем Абрамов.

Стать участником программ Фонда содействия инноваций. Для молодых ученых до 35 лет подойдет программа «УМНИК», на ней выдают грант в размере до полумиллиона рублей на поддержку коммерчески ориентированных научно-технических проектов.

Поработать в лабораториях университетов-партнеров ИТМО. Например, моя магистрантка второго курса Нового физтеха ИТМО Татьяна Осколкова провела около месяца в южнокорейском Университете POSTECH, где проводила эксперименты по деформации двумерных гетероструктур. Сейчас по результатам этих измерений мы пишем научную статью. Другой мой аспирант второго курса Нового физтеха ИТМО Иван Калантаевский ездил на две недели в китайский Университет Тунцзи, чтобы провести эксперименты по управлению магнитными экситон-поляритонами в двумерном материале CrSBr. В ближайшее время он снова планирует поездку за новыми результатами.

Если хотите попасть в научную группу на физическом факультете ИТМО (в том числе в мою), нужно:

1. Выбрать научного руководителя и написать ему на почту. Ознакомиться со всеми научными руководителями ИТМО и найти их контакты можно здесь. В письме стоит рассказать о себе — образовании, научных публикациях, патентах и участии в конференциях, исследовательских интересах и планах на аспирантуру.
2. Сходить на экскурсию в лаборатории и посмотрите всё лично. Обычно всех заинтересованных потенциальных аспирантов приглашают прийти и посмотреть лабораторию вживую. Об экскурсии можно договориться во время личной переписки по почте.
3. Пройти стажировку на Новом физтехе ИТМО. В ИТМО реализуется инициатива «Стажер аспирантуры». Студенты магистратуры Первого неклассического и других российских вузов, которые планируют развивать научную карьеру, могут заранее выбрать лабораторию ИТМО по своим интересам, определиться с темой будущей диссертации и найти научного руководителя. Дополнительно участники инициативы получат максимальное количество баллов за индивидуальные достижения, которые пригодятся при поступлении в аспирантуру.

Подробнее о том, кто и как может стать стажером аспирантуры ИТМО, читайте в статье.