Как рассказывает соруководитель исследования со стороны Университета ИТМО Иван Шелых, в подавляющем большинстве случаев физика рассматривает поведение света отдельно от материи. Материальные возбуждения — электроны, протоны, нейтроны, отдельные атомы и молекулы — отталкиваются или притягиваются друг к другу, например, за счет кулоновского или диполь-дипольного взаимодействия, в то время как фотоны друг с другом не взаимодействуют вовсе, а свойства материи изменяют незначительно. Однако в определенных условиях взаимодействие света с материей можно значительно усилить и создавать гибридные состояния света — особый класс частиц, которые сохраняют высокую скорость и очень низкую эффективную массу фотонов, но взаимодействуют друг с другом, как массивные частицы.
«Классическая физика работает для макроскопических объектов, а на микроскопические объекты с очень маленькой массой — например, на электроны — распространяются законы квантовой физики. Чем меньше масса, тем более ярко проявляются квантовые свойства, поэтому можно ожидать, что для гибридных объектов квантовые свойства будут выражены особенно ярко», — объясняет Иван Шелых.
С точки зрения фундаментальной физики исследование гибридных состояний света интересно потому, что оно дает возможность изучать коллективные квантовые явления при высоких температурах. С другой стороны, гибридные состояния могут найти приложение при создании современных оптоэлектронных устройств — например, использоваться для реализации оптических вычислений, которые гораздо быстрее вычислений с помощью электрических сигналов в классических компьютерах.
«С помощью гибридных состояний света можно создать новый тип лазера — так называемый поляритонный лазер. Для того, чтобы лазер любого типа начал работать, его нужно накачать энергией до определенного порога, и у поляритонного лазера этот порог гораздо ниже — он может работать для небольшого числа фотонов. Больших мощностей с этим лазером добиться не удастся, но в некоторых случаях — например, при оптической передаче информации на короткие расстояния — нам, наоборот, очень важно, чтобы мощность лазера была небольшой, чтобы он при этом имел хорошие перестраиваемые характеристики», — добавляет Иван Шелых.
По словам ученого, финансирование позволит расширить спектр исследований, которые в Университете ИТМО ведет международная научная лаборатория «Фотопроцессы в мезоскопических системах» (Иван Шелых является соруководителем этой лаборатории вместе с сотрудником кафедры нанофотоники и метаматериалов вуза Иваном Иоршем). В то время как лаборатория Университета ИТМО занимается исключительно теорией, исследования в рамках мегагранта предусматривают экспериментальные работы совместно с научной группой из Университета Шеффилда (Великобритания), возглавляемой профессором Морисом Сколником.
«Университет Шеффилда является одним из лучших в области естественных наук и входит в топ-100 университетов мира по версии QS. В свою очередь, Морис Сколник — классик экспериментальных исследований в области твердого тела, оптических свойств нано- и гетероструктур, а его научная группа, возможно, входит в тройку сильнейших в мире в своей области, — отмечает Иван Шелых. — Значительная часть средств мегагранта уйдет на закупку оборудования, также мы планируем организацию взаимных визитов и стажировок сотрудников Университета ИТМО в Шеффилде. Согласно условиям, определенное время в России должен провести руководитель исследования со стороны зарубежного университета, однако мы достигли договоренности о том, что сотрудники профессора Сколника также будут часто и надолго приезжать к нам в Санкт-Петербург. Все они являются высококлассными специалистами и учеными мирового класса, и я надеюсь, что результаты наших совместных исследований будут соответствующе высокими».
Отметим, что второй из выигранных Университетом ИТМО мегагрантов Минобрнауки будет направлен на оборудование первой в России лаборатории по созданию органо-неорганических материалов с интегрированными нанофотонными структурами. Благодаря своим свойствам, компоненты из таких материалов смогут существенно повлиять на развитие оптоэлектронных технологий и различных гаджетов нового поколения. К примеру, с их помощью можно существенно повысить эффективность солнечных батарей и светодиодов.
Добавим, что за последние шесть лет Университет ИТМО стал обладателем шести мегагрантов. В настоящее время на средства, выделенные на конкурсной основе Министерством образования и науки, в вузе развиваются суперкомпьютерные и грид-технологии, технологии взаимодействия хиральных нанокристаллов и биосистем, а также адаптивные системы управления, коммуникации и вычисления.
