Jagadishwar Mahanty Prize вручается с 1999 года выдающимся молодым ученым из разных стран. Награда присуждается студенту, который защитил PhD в университете и представил наиболее выдающиеся тезисы в Научно-исследовательской школе физики и инженерии в Колледже наук ANU.
Кандидаты отбираются специальным комитетом под руководством директора по исследованиям Школы физики и техники Австралийского национального университета. Церемония награждения традиционно проходит в день Школы. Как отмечается в условиях о награждении, комитет может оставить за собой право вручить награду сразу нескольким выдающимся кандидатам, либо, напротив, если представленные тезисы, по мнению жюри, не достойны премии, не вручать награду ни одному из соискателей. Обладателем награды в этом году был признан научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Алексей Слобожанюк.
Топологическая фотоника и новые устройства: как объединить в работе фундаментальную науку и прикладные задачи
На протяжении трех лет молодой ученый учился на программе двойной аспирантуры Университета ИТМО и Австралийского национального университета, результатом обучения стало получение двойной степени PhD — в России и за рубежом. Работа над диссертацией, которая была посвящена исследованию и применению метаматериалов — искусственно созданных новых материалов с уникальными свойствами, — велась в Международном научно-исследовательском центре нанофотоники и метаматериалов под руководством Павла Белова (Санкт-Петербург), в Австралийском национальном университете под руководством Юрия Кившаря и в США под руководством Александра Ханикаева, профессор Городского университета Нью-Йорка.
«Мы исследуем искусственно созданные материалы — метаматериалы, которые обладают уникальными свойствами, в частности, электромагнитными. Моя диссертация состояла из двух основных частей: исследование новых физических эффектов с помощью метаматериалов и создание на их базе инновационных устройств. Таким образом, диссертация сочетала в себе как фундаментальную, так и прикладную физику», — рассказывает Алексей Слобожанюк.
Фундаментальные исследования
С точки зрения фундаментальной физики ученый занимался топологической фотоникой. Это новая, быстро развивающаяся область, которая создает структуры, аналогичные топологическим изоляторам в твердом теле, объясняет Алексей Слобожанюк.
Чем в принципе так хорош топологический изолятор? Являясь изолятором внутри, на поверхности такой структуры возникает защищенное состояние и появляется возможность проводить ток. Основной особенностью является то, что электроны на такой поверхности устойчивы к внешним возмущениям и каким-либо дефектам самого материала. За счет этого электрический ток бежит однонаправленно без перебоев и потерь. В 2016 году за вклад в развитии области твердотельных топологических изоляторов (официальная формулировка: «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи») была дана Нобелевская премия. Ее получили британские физики Дэвид Таулесс, Дункан Халдейн и Майкл Костерлиц.
В одной из своих работ Алексей Слобожанюк совместно с международным коллективом ученых впервые предложил создать трехмерный топологический изолятор для электромагнитных волн (статья по этой тематике была опубликована в Nature Photonics, а позже журнал Optics & Photonics News включил исследование ученых Университета ИТМО в число самых перспективных работ в области оптики и фотоники за 2017 год — прим.ред.). Такой материал позволяет гибко управлять распространением света без потерь, вызванных поглощением и рассеиванием на дефектах.
«В электромагнетизме мы исследуем такие же структуры на базе искусственных материалов, но, соответственно, для фотонов. Главная идея здесь — сделать новые гибкие волноводы. Например, если вы сейчас возьмете оптоволокно, согнете его, то на сгибе, на дефекте, свет будет рассеиваться. А если вы сделаете оптоволокно из такого материала, то, даже несмотря на дефекты, свет все равно будет распространяться без отражения и рассеивания назад. То есть мы работаем над созданием новых, суперэффективных структур», — комментирует исследователь.
Топологически защищенная передача сигнала поможет усовершенствовать линии связи, антенны и оптические компьютеры. Топологические изоляторы на основе метаматериалов позволят управлять светом на масштабах много меньше, чем длина волны, что практически невозможно сделать с помощью современных технологий. Это важно для будущих оптических чипов и оптических технологий в целом, где одним из главных трендов является миниатюризация устройств, добавляет Алексей Слобожанюк.
Инновационные устройства
Вторая часть диссертационной работы была посвящена прикладным исследованиями: Алексей Слобожанюк совместно с международным коллективом ученых из Австралии и Нидерландов нашел способ повысить разрешающую способность МРТ-сканера, при этом сделав саму процедуру быстрее и безопаснее для пациента.
В частности, группа ученых показала, что проблему качества снимков можно решить при помощи специальной подложки из метаматериалов. Разместив такую подложку внутри МРТ-сканера, можно существенно увеличить соотношение сигнал/шум в сканируемой области, что приводит к значительному росту разрешающей способности аппарата и сокращению времени сканирования.
«В обычной магнитно-резонансной томографии, когда, допустим, вы исследуете головной мозг, вы надеваете на пациента специальный шлем. Это фактически радиочастотная катушка, которая является приемником, и качество изображения головного мозга, которое вы получаете, определяется именно чувствительностью этого приемника. Так как отношение сигнал/шум в МРТ очень мало, люди, которые проходят эту процедуру, вынуждены 20-30 минут лежать внутри томографа. Здесь все не так, как во время, например, флюорографии, где вы сразу можете получить изображение. Из-за того, что чувствительность катушек маленькая, одно и то же исследование повторяют несколько раз, чтобы накопить сигнал, а это занимает значительное время, — объясняет Алексей. — Мы же, в свою очередь, создали новое пассивное устройство — подложку, которая помещается между катушкой и пациентом. Эта подложка усиливает чувствительность катушки (повышает соотношение сигнал/шум), то есть перераспределяет электромагнитные поля на очень малом расстоянии, на масштабах много меньше, чем длина волны. Тем самым это позволяет значительно усилить локальное магнитное поле, увеличить отношение сигнал/шум».
Созданные на базе метаматериалов катушки позволяют повысить точность снимков, что, в свою очередь, позволит диагностировать заболевания на более ранней стадии. И наконец, еще одним важным преимуществом таких катушек является безопасность для пациентов.
«Подвергаясь электромагнитному излучению, люди, у которых есть какие-либо металлические импланты, испытывают проблемы из-за нагрева этих имплантов. Именно поэтому таких пациентов нельзя сканировать на томографах 3 Тесла. Мы придумали структуру, которая позволяет значительно снизить радиочастотную нагрузку на пациента и значительно уменьшить мощность подаваемую катушкой источником. С помощью нашей структуры можно просто подсветить локально ту область, на которой вы хотите получить сигнал. Например, если нам необходимо получить сигнал в области конечности, то нам не нужно облучать электромагнитным полем всего пациента. Мы локально фокусируем электромагнитное поле в зоне интереса, тем самым минимизируя уровень поля в других областях тела человека», — добавляет исследователь.
Инновационные радиочастотные катушки для улучшения магнитно-резонансного томографа уже прошли клинические испытания на добровольцах в медицинском исследовательском Центре им. В.А. Алмазова в Петербурге, а также уже применяются в Центре, говорит Алексей Слобожанюк.
Перспективы исследований
Сейчас ученый занимается прикладными исследованиями и вопросами коммерциализации инновационных устройств, разрабатываемых в НИЦ Нанофотоники и метаматериалов. Также он продолжает активно сотрудничать с международными партнерами: ведет коллаборацию с профессором Александром Ханикаевым из Городского университета Нью-Йорка и с институтами в Австралии, США, Нидерландов, Франции и Финляндии.
«Мне интересно делать вещи, которые будут применимы не через 20-30 лет, а через пять. Например, МРТ катушки, которые мы делаем, уже применяются в Центре Алмазова. Кроме того, сейчас мы ведем разработку инновационных продуктов не только для медицины, но и для других отраслей на базе этих новых материалов», — комментирует Алексей Слобожанюк.
Кроме того, коллектив ученых ведет работу с индустриальными партнерами, чтобы выявить их самую острую потребность.
«Зная их потребность, которую мы можем решить с помощью нашей технологии, мы сможем быстрее выйти на рынок. Таким образом я пытаюсь объединить два общества – ученых и предпринимателей, для того чтобы создавать в России инновационные устройства, — говорит он. — В странах, где я жил (США и Австралия), очень хорошо отработана связь между наукой и индустрией. Там создаются негосударственные фонды для финансовой поддержки различных проектов ученых, которые могут изменить обычный уклад жизни. Различные меценаты и миллиардеры вкладывают значительные деньги в конкретные научные группы для поддержки именно инновационно-ориентированных проектов и получают часть прав на интеллектуальную собственность. То же самое я пытаюсь сделать сейчас в России. Уверен, при большей вовлеченности российских предпринимателей в научный процесс новая ступень технологической революции в России будет достигнута значительно быстрее».
