Как все начиналось: о выборе, наставниках и порядках
На втором курсе бакалавриата я выбирал научное подразделение, чтобы заниматься, как и мои коллеги, научной деятельностью и буквально по кирпичикам «строить» из себя ученого. Так совпало, что почти шесть лет назад всемирно известный ученый Юрий Кившарь выиграл мегагрант в Университете ИТМО, после чего была создана лаборатория «Метаматериалы», которой руководит доктор физико-математических наук Павел Белов. Cейчас в ней работают около ста человек, среди которых и я, а о деятельности петербургской лаборатории знают ученые мирового класса. Прийти на собеседование нашему потоку предложила работавшая уже тогда с Павлом Беловым руководитель Международной лаборатории «Прикладная радиофизика» Ирина Мельчакова. На моем втором курсе она преподавала практикум по физике. Помню, тогда это предложение привлекло не всех ребят — у многих были другие интересы. В итоге мы с парой ребят прошли несколько отборочных испытаний, решив интегралы и успешно сдав тесты на адекватность. По итогам собеседования с Павлом Беловым нам предложили попробовать работать в лаборатории. С января 2011 года мы вместе с моим другом Димой Филоновым, который сейчас учится в аспирантуре в одном из лучших вузов Израиля, приступили к первым экспериментам и исследованиям. Именно с того момента началась наша реальная учеба и настоящая наука.
Так как лаборатория существовала на мегагрант, ее работу координировали Юрий Кившарь из Австралии и Павел Белов в Петербурге. Вместе они отлично знали, как работает наука за рубежом, и хотели, чтобы западные стандарты стали актуальны и в России. И у них получилось: теперь это не просто лаборатория, а целый международный научно-исследовательский Центр нанофотники и метаматериалов. Это очень активное подразделение и с точки зрения публикаций, и с точки зрения исследований, которое конкурирует с ведущими лабораториями мира. У нас здесь европейские порядки: мы ходим обедать с начальством, легко и непринужденно общаемся, здесь абсолютно реально обсуждать свои идеи с лучшими учеными в своих областях и успешно их воплощать.
Здесь начальник — это не тот, к кому ты никогда не можешь подойти из-за его занятости или нежелания тратить на тебя свое время, а человек, которому ты можешь позвонить, спросить совета и увидеться. Именно из-за дружественной и неформальной атмосферы наш центр стремительно развивается, и тут работает немало энтузиастов-фанатов своего дела.
Из петербургских бакалавров в австралийские аспиранты
Я работал в лаборатории весь бакалавриат, а в 2013 году, под конец учебы, мне предложили поехать в Австралию на PhD без прохождения магистратуры. Как оказалось, с учетом хороших результатов, выдающихся достижений и рекомендательных писем в австралийскую аспирантуру можно поступить и без степени магистра. Это меня удивило, ведь я не понимал, как можно стать аспирантом, пропуская ступень магистратуры. Теперь я знаю, что такие возможности есть как минимум у двух стран — Великобритании и Австралии. Поехать в Австралию, не оставляя учебу здесь, мне предложил Юрий Кившарь. Спросив совета у Павла Белова, я получил его одобрение, несмотря на то, что мое присутствие в Петербурге было желательно для выполнения текущих работ. По его словам, в России мое обучение достигло определенной планки, и теперь мне нужно было попробовать себя в другой научной группе и в иных условиях — в том числе в англоговорящей среде.
Конечно, все было не так просто: захотел — поступил. Сначала пришлось сдавать IELTS, и с первой попытки не вышло, так как к экзамену я подготовиться не смог. Нужно было набрать 6,5 баллов, хотя даже американцы — native speakers — не всегда могут сдать с таким результатом этот экзамен. Это похоже на то, как русские ежегодно «проваливаются» на акции «Тотальный диктант», ведь для успешного написания нужно не только разговаривать на этом языке, но также знать определенные тонкости грамматики. На второй раз мне снова не повезло, и в итоге IELTS я сдал с третьей попытки, зимой 2014 года — как раз в заключительный год обучения на бакалавриате. Уже после того, как я поступил в магистратуру Университета ИТМО, мне предложили доучиться первый год, а потом составить индивидуальный план учебы. Первый и второй семестры я провел в Петербурге, а летом сразу уехал в Австралию получать PhD в Австралийском национальном университете.
Петербургская теория vs австралийская практика
Мы все хотим делать науку на мировом уровне, быть в топе и публиковать прорывные статьи в самых авторитетных журналах вне зависимости от страны проживания. Однако ни для кого не станет откровением, если я скажу, что процессы учебы и работы в научной сфере в разных странах строятся по-разному. Когда я занимался микроволновыми экспериментами тут, в Петербурге, у меня не было какой-то ярко выраженной тематики, конкретного направления исследований, а была огромная область исследований электромагнитных метаматериалов. Когда же я приехал в Австралию, мне сказали, что во время PhD я обязательно должен сделать определенный вклад в некую область. Идея обучения и мерило твоего успеха заключаются в том, чтобы ты стал известным в своей области, чтобы все знали, что ты сделал некое открытие. Мне было предложено несколько вариантов того, чем я могу заниматься. Но так как мне интересны как фундаментальные вопросы, так и прикладные исследования, то я не стал останавливаться на одной теме, а взял сразу две привлекательных и перспективных области. Ими стали электромагнитные топологические изоляторы и применение метаматериалов для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Исследования в области электромагнитных топологических изоляторов — вещь совершенно фундаментальная, хотя в них задействована очень интересная физика. И здесь мы уже добились признанных результатов. Так что применить их, видимо, получится в ближайшие лет пять-шесть, воплотив мечту многих — коммуникации без потерь с КПД до 100%.
В Австралии в отличие от России не обязательно ходить на пары и сдавать какие-то экзамены. Например, когда я поступал в аспирантуру в Университете ИТМО, я потратил две недели, чтобы подготовиться к философии. Несмотря на то, что я сдал ее на «отлично» и сама дисциплина мне нравится, мне кажется, не стоит заставлять молодых исследователей учить философию в обязательном порядке и, тем более, делать это обязательным условием для поступления в аспирантуру. У меня есть грустный пример: один мой очень хороший друг уехал в аспирантуру за границу и не стал поступать в нашу только из-за этого экзамена. Между тем, его научным результатам по завершении магистратуры могли позавидовать очень многие ученые со степенью кандидата наук.
В Австралии ничего подобного нет: там есть лишь несколько обязательных дисциплин вроде этики науки, которые читаются за неделю. В остальном ты выстраиваешь свой учебный план в соответствии с потребностями. Если тебе не хватает знаний, например, в нанофотонике, ты можешь взять соответствующий курс и ходить туда бесплатно, так как тебе позволяет это твоя ступень обучения. Там твоя главная цель — исследования. Каждую неделю проводятся семинары, на которых мы объясняем друг другу проблемы, с которыми сталкиваемся, и устраиваем своеобразный мозговой штурм. Это очень помогает продвижению проекта. Если, например, ты не знаешь, как устранить какую-то помеху в исследовании, ты можешь обратиться к любому специалисту центра, и тебе подскажут нужный выход или необходимую для прочтения литературу. Заниматься исследованиями можно с любым сотрудником вуза — главное, чтобы у вас был обоюдный интерес. Если у тебя есть какая-то теоретическая идея, ее легко воплотить в сотрудничестве с экспериментаторами. В общем, в Австралии нет вещей, которые помешают тебе заниматься работой. Наука там на очень высоком уровне: так, ректором Австралийского университета не так давно стал Брайан Шмидт, получивший в 2011 году Нобелевскую премию за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых. Если мы в России не так давно отошли от количественных показателей в публикациях и перешли к качественным, стремясь публиковать наши статьи в хороших журналах, то Австралийский университет уже долгое время делает ставку исключительно на качество статей и прорывные идеи.
Международные коллаборации и невероятные разработки
Работа в нашем международном научно-исследовательском центре дает мне возможность работать совместно с коллегами из Университета ИТМО, Австралийского национального университета, Городского университета Нью-Йорка, а также несколькими научными группами из Нидерландов. Например, мы первые в мире предложили концептуально новую идею применения резонаторов на основе метаматериалов для МРТ. Это поможет рассмотреть те же самые опухоли на стадии зарождения или сделать нечто, что не позволяют обычные томографы. Сейчас мы пытаемся реализовать концепцию «умной одежды» — например, компания Mediwise уже работает над «ковриком для йоги», на который можно положить пациента в томографе и сделать четкие изображения его внутренних органов и тканей не за сорок минут, а всего за пять. Что важно, наш коврик-подкладка стоит несколько тысяч евро и делает характеристики аппарата МРТ с силой поля в 1,5 Тесла и стоимостью в 1,5 миллиона евро точно такими же, как у аппарата с силой поля в 3 Тесла и стоимостью в три миллиона евро.
Также вместе с коллегами из России и других стран мы работаем над различными видами топологических изоляторов. Идея в том, что если попробуешь провести ток через такой изолятор, то он не будет проходить через сам материал (так как это изолятор), однако по краям он будет распространяться с помощью уникальных состояний, именуемых краевыми. Эти состояния могут переносить электроны из точки, А в точку Б, и прелесть их как раз в том, что они топологически защищены. Электроны могут однонаправленно «бежать» даже при наличии примесей и дефектов изолирующего материла. Совсем недавно ученые предложили сделать электромагнитные аналоги твердотельных топологических изоляторов. Так, путем создания определенной наноструктуры можно управлять распространением света и получить оптические, топологически защищенные краевые состояния. Это весьма непросто, но мы пытаемся создавать такие структуры для коммуникаций без потерь. Эта область является фундаментальной: здесь, по сути, ничего не известно — экспериментальных данных пока нет. А так как у меня есть некий опыт создания микроволновых метаматериалов, то есть желание и смысл прикладывать усилия к экспериментам. Ведь прежде чем делать оптический прототип, нужно сделать микроволновый. Дело в том, что оптический сделать сложнее, а микроволновый позволит проверить то, насколько жизнеспособно наше дерзновение.
Стоит отметить, что одномерные топологические изоляторы я начал изучать в Университете ИТМО совместно с Александром Поддубным в 2013 году, он предложил поистине гениальную идею создания очень простой электромагнитной структуры, в которой наблюдаются топологически защищенные краевые состояния. Более того, это была первая в мире попытка получить краевые состояния на субволновых (гораздо меньших, чем длина волны) масштабах. Совсем недавно, мы выполнили ряд экспериментов и подтвердили эту теоретическую концепцию. Более того, престижный журнал Optics & Photonics News назвал эти исследования одними из лучших в 2015 году.
Двумерные топологические изоляторы я начал изучать в Австралии, и это оказалось новой темой для меня. Также я ездил в Америку и общался на эту тему с профессором Александром Ханикаевым из Городского университета Нью-Йорка. Он — пионер в разработке двумерных топологических изоляторов на основе метаматериалов и победитель ITMO University Professorship. Прелесть двумерных электромагнитных топологических состояний в том, что вы можете показать все особенности и преимущества данных структур для контроля над распространением электромагнитных волн. Например, мы совместно с профессором Ханикаевым провели первое экспериментальное исследование двумерного топологического изолятора на основе бианизатропных метаматериалов. Во время моего визита в Америку мы подняли вопрос о возможности контроля над распространением краевых состояний не только в плоскости (в двумерных электромагнитных топологических изоляторах), но и в третьем направлении. Мы хотим полностью контролировать распространение электромагнитных волн, на что другие ученые в мире еще не покушались. Такая возможность позволит существенно продвинуться в исследованиях оптических чипов и компьютеров. Сейчас мы преследуем цель экспериментально создать первый электромагнитный трехмерный топологический изолятор. Если экспериментальный образец заработает, а по нашим теоретическим расчетам и численным показателям это случится, будет успех. Важно, что для этого мы сможем задействовать лаборатории в России и Австралии.
Смотря в будущее
Научная практика и обучение в аспирантуре в лидирующем международном Центре нелинейной физики позволили мне расширить возможности в исследованиях так, как я и не мечтал. Благодаря тому, что Павел Белов в свое время дал мне возможность уехать на учебу в Австралию, я каждый день получаю уникальный опыт работы со специалистами мирового уровня. Благодаря Юрию Кившарю я теперь знаю, какими прорывными направлениями науки нужно заниматься сейчас и в последующие пять-десять лет. Это бесценный опыт, с которым я вернусь в Россию и обязательно поделюсь со своими коллегами и студентами Университета ИТМО по завершении аспирантуры.
