Как будет выстраиваться ваша работа в XFEL?
Я буду работать в научно-исследовательском центре Немецкий электронный синхотрон (DESY), где и начинается туннель XFEL. Мой научный руководитель со стороны Фрайбергской горной академии, профессор Сергей Молодцов, работает также и в Университете ИТМО, и в DESY. Когда я приеду в Гамбург, я буду работать в его команде. Спрос на пучковое время XFEL очень высок. Но Россия и Германия внесли наибольший вклад в строительство рентгеновского лазера, поэтому научным группам из этих стран отдается приоритет при использовании пучкового времени. Поэтому, я думаю, научной группе Сергея Молодцова удастся в ближайшем будущем поработать на оборудовании мегаустановки. Для меня это все пока новая тема, поэтому к работе с XFEL надо тщательно подготовиться. Но я уверен в своих силах и в том, что работа в Гамбурге будет очень плодотворной.
Сложно ли было поступить на эту образовательную программу?
В целом, ничего сверхуникального в моем поступлении нет. Если ты обучаешься в магистратуре, занимаешься научной работой, участвуешь в конференциях, пишешь статьи в приличные научные журналы, которые индексируются в Scopus и Web of Science, то у тебя отличные шансы поступить на интересную совместную образовательную программу, не обязательно с Фрайбергской горной академией. Главное – активно заниматься наукой, общаться с другими учеными. Ранее я ни на какие международные стажировки не ездил, в Гамбурге еще не был.
Какими научными исследованиями занимается группа, в которой вы будете работать?
Первое направление – это органо-неорганические нанокомпозиты. Научная группа Сергея Молодцова пытается найти такие композиты, которые будут хорошо подходить для нового типа памяти, резистивной с произвольным доступом. Сейчас в компьютерах используется динамическая память с произвольным доступом – по сути, это оперативная память. Ее минус в том, что она энергозависимая: когда мы выключаем компьютер, то все данные из нее стираются. Чтобы данные там сохранялись, нужно прикладывать напряжение. А вот резистивная память энергонезависимая. Там есть слой органического материала, в котором находятся наночастицы металла, например, золота. Когда к нему прикладывается разность потенциалов, тогда происходит переключение от непроводящего режима этого слоя в проводящий. Таким образом, мы получаем те самые «единицу» и «ноль». Информация записывается в определенную ячейку памяти и там хранится, даже если компьютер выключается. Разрабатываемая резистивная память с произвольным доступом, исходя из исследований, имеет время доступа к информации в ячейках, которое лежит в наносекундном диапазоне, при этом тактовая частота работы процессоров – это ГГц. Следовательно, скорость работы процессора и памяти примерно одинакова. А это значит, что ничего в вашем компьютере не будет «тормозить». При этом данный вид памяти обладает той самой энергонезависимостью, что означает возможность долгосрочного хранения информации без затраты энергии.
Второе направление исследований – это разработка промышленного метода производства графена. Это значит, что ученые хотят делать его быстро, много и дешево. Как действует разрабатываемая технология: берется карбид кремния, и под воздействием очень высоких температур с его поверхности, условно, улетучивается кремний. В результате на поверхности остается слой графена, так как происходит переформирование кристаллической решетки приповерхностного слоя, пересыщенного углеродом. Этот слой в достаточной мере изолирован от подложки, то есть карбида кремния. При применении метода получаемый графен обладает структурой, хорошо воспроизводимой от подложки к подложке. Также стоит отметить относительно малое количество дефектов.
Как ваш предыдущий исследовательский опыт соотносится с тем, чем вы будете заниматься в DESY?
Я обучался на кафедре лазерных технологий и систем, работал с разными видами лазеров: газовыми, твердотельными, волоконными и, что особенно важно, среди них были фемтосекундные лазерные системы. Моя бакалаврская выпускная работа как раз связана с фемтосекундными лазерами и наночастицами. Мы занимались генерацией наночастиц кремния при фемтосекундной лазерной абляции. То есть мы облучали кремний, он «испарялся», а на подложку из стекла осаждались наночастицы кремния, которые потом изучались различными методами – например, сканирующей электронной микроскопией. XFEL, по сути, также является фемтосекундной лазерной системой, только раньше я работал с лазерами, генерирующими излучение в инфракрасном диапазоне длин волн, а на мегаустановке генерируются рентгеновские кванты.
В Гамбурге вы также будете работать с наночастицами…
Да, и в области физики твердого тела, чем, собственно, и занимается группа Сергея Молодцова. Физикой твердого тела я начал заниматься в магистратуре, моя диссертация была связана с генераций полиморфных модификаций кремния. Опять же, мы облучали кремний фемтосекундными лазерными импульсами, но исследовали уже не то, что «улетело», а саму подложку, которая была подвергнута воздействию. За счет ударных волн высокого давления, являющихся результатом фемтосекундной лазерной абляции, в тонком поверхностном слое подложки образовывался кремний с иной кристаллической решеткой, из-за чего менялись его физические свойства. Так, например, обычный кремний прозрачен в инфракрасном свете, а вот некоторые его полиморфные модификации хорошо поглощают излучение в данном диапазоне.
Какие методики работы в DESY будут вам в новинку?
Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопии, атомно-силовая микроскопия – это все распространенные техники, и с этим всем я работал здесь, в Университете ИТМО, когда писал бакалаврскую и магистерскую работы, и это в DESY тоже будет. Новое для меня – это рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Как она работает: есть синхротронные источники излучения для облучения вещества рентгеновскими квантами. От кванта света энергия передается электрону в поверхностном слое твердого тела, что приводит к его высвобождению. Электрон улетает, а с помощью специальных датчиков ученые измеряют, какая у него энергия. Затем они смотрят разницу энергий между той, что была изначально у кванта, и той, с которой вылетел электрон. Разница – это энергия связи электрона с веществом. Мы можем использовать это, чтобы смотреть в динамике, как меняется электронная структура веществ. Например, сейчас, когда ученые растят подложку из графена из карбида кремния, у карбида постепенно меняется фотоэлектронный спектр, и мы видим, в какой момент происходит переход от карбида к графену. А благодаря рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы сможем увидеть, как именно это происходит.
А в чем преимущество XFEL над существующими источниками синхротронного излучения?
Отличия в том, что благодаря XFEL можно построить дифракционную картину взаимодействия лазерных импульсов с веществом. По ней можно восстановить структуру вещества. В туннеле мегаустановки происходит генерация очень коротких импульсов с очень высокой плотностью фотонов. Количества фотонов всего одного импульса достаточно, чтобы получить всю необходимую дифракционную картину. Это позволяет изучать биологические молекулы без их кристализации, то есть в естественном виде. При этом обычно под воздействием лазерного облучения молекулы быстро разрушаются, но импульсы в XFEL будут настолько быстрыми, что ученые смогут собрать всю информацию о молекуле до ее полного разложения. Потому что длительность импульса короче, чем протекание химических реакций (подробнее о том, как работает XFEL, какова роль Университета ИТМО в разработке проектов для этой мегаустановки, можно прочитать здесь)
Вы ранее знали об XFEL?
До того, как заинтересовался совместной образовательной программой с Файбергской горной академией, нет, не знал. Когда я начал узнавать про мегаустановку подробнее, то бы поражен возможностями, которые XFEL дает ученым: ведь можно в прямом смысле покадрово заснять химическую реакцию – увидеть, как будет перестраиваться молекулярная структура вещества, и это поразительно. Раньше ученые не имели доступа к таким внушительным возможностям. А кто-то, наверняка, ждал этих возможностей долгие годы, и сейчас многие ринутся проводить эксперименты. Поэтому, я думаю, в ближайшее время нас ждет много интересных открытий.
Как вы думаете, людям, которые не являются учеными, следует иметь представление, зачем и для кого нужен XFEL?
Я думаю, это важно для молодежи, которая определяется со своим будущим. Многие считают, что ученый – это не нормальная работа, а что-то непонятное. Нужно, чтобы молодые люди при выборе будущего пути осознавали, что наукой заниматься можно, это интересно и это серьезная работа. Поэтому необходимо показывать, что у всех есть возможности быть востребованным в науке. Ведь когда я поступал, то никак не думал, что смогу попасть на такую установку, о которой говорят во всем мире. Главное – это учиться, заниматься, и тогда у тебя будет возможность поучаствовать в чем-то интересном, грандиозном.
Вы совсем не думали, что будете заниматься наукой, когда поступали в Университет ИТМО?
Перед тем, как поступать в вуз, я обучался в Школе лазерных технологий Университета ИТМО. Там нам проводили лекции про лазеры, мы занимались простенькими научными проектами. Когда ты уже давно занимаешься в лазерных лабораториях, в этом нет ничего особенного. А когда ты ребенок и видишь это все в первый раз, это воодушевляет. Ведь я не совсем понимал, чем будут заниматься после школы. Я просто хорошо понимал физику, сдал ее и не знал, куда идти дальше. А в Школе лазерных технологий нам рассказали, что лазеры – это перспективно, что они применяются практически во всех областях. И я ни разу не пожалел, что поступил именно на кафедру лазерных технологий и систем. Уже в магистратуре я сам стал руководителем Школы лазерных технологий, проводил лекции, работал со школьниками в лаборатории. Кстати, там сейчас идет новый набор. Так что, школьники, регистрируйтесь!
