Чем в области двумерных материалов вы будете заниматься в Университете ИТМО?
Двумерные материалы – это относительно новая область исследований, которая началась с графена, впервые полученного в 2004 году. Значимость этого открытия была быстро оценена мировым научным сообществом, и в рекордно короткий срок, всего через шесть лет после первых экспериментов, первооткрывателям графена Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия. Но двумерные материалы не ограничиваются графеном. Существует большое количество материалов со слоистой структурой, из которых можно извлечь слои толщиной в один атом. В Университете ИТМО моя работа заключается в исследовании оптических свойств одних из самых, на мой взгляд, перспективных видов двумерных материалов – атомарно тонких полупроводников. Важным свойством полупроводников является способность поглощать свет определенной длины волны. Эта способность зависит от структуры конкретного материала. При этом поглощенная энергия световой волны идет на связывание положительных и отрицательных зарядов в материале в новые комплексные частицы – экситоны. Формирование таких экситонов происходит и в атомарно тонких полупроводниках и сейчас является фокусом исследований многих научных групп.
Мы в своей работе стараемся думать на шаг вперед и хотим научиться создавать еще более сложные частицы – экситон-поляритоны, которые получаются, когда экситон взаимодействует с частицей света – фотоном. Сами по себе экситон-поляритоны являются очень интересными объектами, и открывают путь к изучению таких экзотических физических явлений, как Бозе-Эйнштейновская конденсация и поляритонная сверхтекучесть. Получение экситон-поляритонов имеет также и прикладное значение, например, для создания поляритонных лазеров с ультранизким порогом лазирования. Такие высокоэнергоэффективные, а в случае двумерных материалов еще и наноразмерные лазеры и оптические транзисторы могли бы стать основой для построения оптического компьютера.
То есть вы также будете исследовать новые свойства полупроводниковых двумерных структур? Насколько изучена эта тема?
Да, мы будем создавать, а точнее уже создаем гибридные структуры на основе двумерных материалов и, например, наноструктурированных волноводов. Это как раз должно позволить нам получить вот такие суперкомплексные частицы – экситон-поляритоны. Я бы сказала, что эта тема сейчас находится на подъеме научного интереса, и это прекрасное поле для деятельности, так как есть масса интересных задач, которые еще не были реализованы просто в силу своей новизны. При этом реализация этих научных задач не требует сверхсложных технических решений, ведь все гениальное просто, и мне кажется, что в Университете ИТМО для этого есть неплохая база.
На что могут быть направлены эти исследования?
Одна из таких больших целей – это, например, создание элементной базы для оптических компьютеров и оптических телекоммуникационных сетей нового поколения. Но движение к любой большой цели начинается с небольших шагов, и здесь перед нами прежде всего стоит фундаментальная задача получения экситон-поляритонов в двумерных материалах. Также необходимо исследовать их свойства, такие как сила связи между компонентами этих уникальных частиц, то есть экситоном и фотоном, ну и, конечно же, мы хотим научиться управлять их свойствами, например, прикладывая напряжение затвора как в стандартных электронных транзисторах.
Почему вы переехали из лаборатории в Университете Манчестера в лабораторию в Университете ИТМО? И как вы вышли на лабораторию в петербургском вузе?
Это нормальная общемировая практика, что ученые периодически меняют место работы. Это делается с целью приобретения новых знаний и навыков. Эффективнее, если ставятся принципиально новые задачи, и это часто требует смены места работы. Здесь, в Университете ИТМО, работает сильная научная группа в области нанотехнологий и оптики, и, несмотря на ее молодой возраст, у сотрудников есть много качественных публикаций. Также здесь работают отличные экспериментаторы, у которых я многому учусь. В Манчестере я занималась электронным транспортом, то есть это относилось скорее к физике твердого тела. Мне же стало интересно попробовать что-то новое, приобрести более глубокие знания в области оптики. Тем более последние несколько месяцев в Англии я изучала фотолюминесценцию в двумерных материалах, и меня эта тема очень заинтересовала.
Я нашла вакансию в лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах на обычном сайте по поиску работы. Тогда в лабораторию как раз искали специалиста в области двумерных материалов. У меня были возможности остаться в Англии, но я не жалею, что переехала, потому что здесь работают амбициозные, нацеленные на результат люди, но при этом царит прекрасный командный дух. И, что немаловажно, здесь очень молодой коллектив.
У вас также был опыт работы в лаборатории нобелевских лауреатов Андрея Гейма и Константина Новоселова. Что самое важное, чему вы научились у них?
Отношению к работе. Я вижу то же самое у своих коллег в Университете ИТМО, но хочется, чтобы оно было абсолютно у всех ученых. Это ответственность, нацеленность на результат. Неважно, какие препятствия стоят на твоем пути, – нужно преодолевать их: будь это технические трудности в эксперименте или организационные вопросы. Поставленную задачу необходимо выполнить. Андрей Гейм и Константин Новоселов – это руководители лаборатории, которые работают семь дней в неделю. Когда у тебя есть такой пример перед глазами, это сильно мотивирует.
В Университете Манчестера вы также были получателем крупной стипендии. Расскажите, как так вышло, что вы окончили аспирантуру в Англии?
Еще обучаясь в МГУ им. М.В. Ломоносова, я поняла, что мне очень интересна экспериментальная работа. Тогда я готовила дипломный проект в лаборатории вместе с учеными, которые растили графен еще до 2010 года, то есть были одними из первых, кто активно занимался этой темой. Я также занималась углеродными материалами и их уникальными транспортными свойствами. Когда я искала место, где пройти аспирантуру, то написала моему будущему непосредственному руководителю, профессору Университета Манчестера Ирине Григорьевой. Она сказала, что у меня неплохое CV, и предложила тему проекта, с которой можно было податься на стипендию Манчестерского Университета для иностранных студентов. В результате наша заявка оказалась успешной, и уже через несколько месяцев я начала работу в Манчестере.
Какова была задача вашего исследования во время аспирантуры?
Большинство двумерных материалов стабильны при нормальных условиях, но существуют и слоистые кристаллы, которые можно расщепить до атомарно-тонких слоев, но они окисляются на воздухе. Это, как правило, металлы, причем при низких температурах они демонстрируют такие интересные свойства как сверхпроводимость, то есть у них полностью исчезает электрическое сопротивление. Первоочередной задачей во время аспирантуры для меня было как раз решить проблему стабильности атомарно-тонких слоев вот таких легко окисляющихся материалов, научиться создавать из них различные устройства для измерения электронного транспорта и в итоге изучить двумерную сверхпроводимость на основе этих материалов.
Каких самых значимых результатов удалось добиться за время аспирантуры?
Пожалуй, самый интересный результат оказался связан с двумерной сверхпроводимостью: он потребовал наибольшего вложения сил, но и обеспечил мой рост, как исследователя. Дело в том, что на протяжении многих лет существовал фундаментальный вопрос, на который четкого ответа не было: может ли существовать сверхпроводимость в двумерных системах? Основная проблема состояла в том, чтобы найти подходящую упорядоченную двумерную систему. Все, что было доступно до двумерных материалов либо имело низкую степень упорядоченности, либо было недостаточно тонким, то есть не могло считаться истинно двумерным. Расщепленные атомарно-тонкие слои же сохраняют свою упорядоченную кристаллическую структуру и являются предельно достижимой физической реализацией двумерной системы, ведь что может быть тоньше атома?
В итоге нам удалось показать, что сверхпроводимость в двумерных системах действительно может существовать и что она достаточно устойчива. Кроме того, благодаря созданной нами специальной установке для получения атомарно-тонких слоев в инертной атмосфере мы смогли создать различные устройства из двумерных сверхпроводников и детально изучить их свойства.
У вас были моменты эврики, когда наконец-то вы получали то, к чему шли долго путем ошибок и проб?
Конечно, были, но даже такие моменты, как правило, наступают в результате упорного труда. Иногда бывает, что над чем-то бьешься, ничего не получается, пробуешь последний метод, и именно он срабатывает. Бывает, наступает момент, когда некоторые разработки нужно просто отпустить, потому что понимаешь, что они не ведут к задуманному результату. Но мы учимся на отрицательных результатах иногда даже больше, чем на положительных.
Ваши будни ученого – это работа с утра до ночи? Что вам нравится в вашей работе больше всего?
В мире очень много ученых, которые работают очень интенсивно, и для того, чтобы просто оставаться на уровне со всеми, нужно работать в соответствующем темпе. Дополнительный стимул к эффективной работе – это азарт, ведь исследования в современном мире – это во многом гонка. Существует масса примеров, когда несколько групп одновременно стояли на пороге крупного открытия, но в итоге первооткрывателем становится кто-то один – вторых открывателей не бывает. Поэтому порой, да, приходится работать с утра до ночи. С утра – чтение научных статей, потом – работа в лаборатории. И это норма, в Университете Манчестера было так же. Отличие в том, что там была более развитая инфраструктура, и мы не занимались, например, вопросами закупок оборудования, чем мы с коллегами в Университете ИТМО сейчас активно заняты, так как собираем новую установку для манипулирования двумерными материалами. Но для меня это тоже новый и интересный опыт.
Конечно, порой имеет место некоторое эмоциональное выгорание, особенно когда долго нет ожидаемых научных результатов, но со временем учишься с этим справляться. Мне, например, очень помогает общение с друзьями, многие из которых тоже физики. Но, когда работа идет, вопрос выбора приоритетов не стоит. Мне больше всего нравится экспериментальная работа в лаборатории. Самое интересное, когда удается получить новый результат и нужно его правильно интерпретировать. В решении этого вопроса незаменима помощь коллег, и я рада, что в Университете ИТМО я работаю с компетентными профессионалами, которые также нацелены на результат.
Какие ваши ближайшие задачи, которые стоят в Университете ИТМО?
Как я уже упомянула, сейчас мы собираем установку для создания гетероструктур, находимся в стадии закупки. И скоро мы начнем проводить на нем эксперименты и делать двумерные гетероструктуры прямо на базе вуза. К счастью, здесь есть финансирование, которое позволяет проводить такие эксперименты. Поэтому мы открыты к сотрудничеству с новыми магистрантами, аспирантами, которые могут научиться у нас работать с двумерными материалами. Ведь это очень обширная тема, которая затрагивает и физику твердого тела, и оптику. Поэтому мы очень ждем амбициозных молодых ученых.
Все студенты или аспиранты, которые заинтересовались работой над двумерными материалами, могут написать Екатерине Хестановой: ekaterina.khestanova@metalab.ifmo.ru.
