Общество фотоники (IEEE Photonics Society) формирует сообщество из более чем 100 тысяч профессионалов со всего мира. Цели общества включают проведение исследований, развитие, проектирование, производство и использование материалов, приборов и систем, а также продвижение различной научной и технической деятельности, которая содействует развитию фотоники. Организация способствует расширенному плотному сотрудничеству с другими обществами IEEE и советами в форме совместных публикаций, спонсирования встреч, а также других форматах информационного обмена.
Одним из направлений деятельности общества является поддержка молодых ученых, которые показали высокие научные результаты и ведут активную исследовательскую деятельность. С этой целью IEEE Photonics Society учредило стипендиальную программу (Graduate Student Fellowship Program) для аспирантов по всему миру. Ежегодно общество присуждает десять стипендий (по 1000 долларов США) десяти молодым ученым из основных географических регионов — Америки, Европы, Среднего Востока / Африки, Азиатско-Тихоокеанского региона. Критерием для присуждения премии являются результаты проведенных исследований, публикации и активное участие в конференциях общества.
В этом году в число победителей программы вошли сразу два молодых ученых, работающих в Университете ИТМО. Обладателями стипендий от IEEE Photonics Society стали сотрудники Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов — аспирант Университета ИТМО Алёна Щёлокова и аспирант Тельавивского университета Дмитрий Филонов. О своей научной работе, результатах и перспективах исследований, поддержанных грантом, они рассказали ITMO.NEWS.
Алёна Щёлокова, аспирант Университета ИТМО, сотрудник физико-технического факультета
Программа IEEE Photonics Society поддержала мои исследования, которые я провожу в рамках своей кандидатской диссертации в НИЦ нанофотоники и метаматериалов. В частности, я занимаюсь исследованиями двумерных композитных структур, метаповерхностей, которые обладают уникальными электромагнитными свойствами.
Например, я веду проект по применению данных структур для улучшения характеристик магнитно-резонансных томографов (МРТ) посредством интеграции метаповерхностей внутрь. Это позволяет улучшить «зоркость» томографа, благодаря чему врачи могут увидеть потенциальные заболевания на более ранней стадии.
Глобально наша группа начала интересоваться применением искусственных электромагнитных структур в МРТ с 2011 года. Мои руководители Ирина Мельчакова, руководитель Международной научной лаборатории прикладной радиофизики, и Павел Белов, декан физико-технического факультета, руководитель Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов, инициировали эту деятельность в Университете ИТМО, а я подключилась к этому направлению на первом курсе аспирантуры. Сейчас мы ведем данный проект совместно с коллегами из медицинского центра им. Алмазова и уже провели исследования разрабатываемых структур совместно с волонтерами и пациентами.
Эти исследования имеют прямой выход на практическое применение и в связи с этим нами уже было подано и получено несколько патентов и подписано лицензионное соглашение с зарубежной компанией MediWise (Подробнее об этой работе ITMO.NEWS писал здесь и здесь — прим.ред.)
Также я вовлечена в разработку новых устройств для нанофотоники на основе топологически защищенных метаповерхностей. Это совершенно новое направление исследований, которое основывается на концепциях физики твердого тела. Мы пытаемся сделать фотонные аналоги топологических изоляторов и исследовать уникальные свойства топологически защищенных состояний электромагнитных волн, таких как перенос излучения без потерь, на который не влияет рассеяние или обратное отражение. О важности данного направления исследований уже написан ряд статей (Подробнее можно почитать здесь и здесь — прим.ред.).
Например, в одной из последних работ я участвовала в разработке полностью диэлектрической топологически защищенной метаповерхности. Данная структура поддерживает особенные краевые состояния, которые могут распространяться вдоль определенных «путей» вне зависимости от дефектов и изгибов «путей». Это очень интересный результат с практической точки зрения, так как он открывает возможность создавать новые виды гибких оптических световодов.
Исследования топологически защищенных структур были инициированы в Университете ИТМО моим коллегой Александром Поддубным в 2013 году. В частности была предложена реализация одномерной топологической структуры. В 2016 году Александр Ханикаев, профессор Городского университета Нью-Йорка, и Алексей Слобожанюк, сотрудник НИЦ нанофотоники и метаматериалов, экспериментально продемонстрировали возможность реализации двумерных топологически защищенных структур на основе металлических элементов. Год спустя мы с коллегами предложили диэлектрическую топологическую метаповерхность. Явным преимуществом последней является возможность использовать ее в оптическом частотном диапазоне, что было невозможно в предыдущем дизайне в связи с наличием высоких омических потерь в металлах в видимой области.
Сейчас исследования топологически защищенных оптических структур в основном сфокусировано на уникальных фундаментальных свойствах данных структур. Однако я уверена, что через несколько лет концепция электромагнитных топологических изоляторов найдет множество применений в области создания устойчивых элементов нанофотоники, в том числе субволновых волноводов и лазеров.
Дмитрий Филонов, сотрудник физико-технического факультета, аспирант Тель-Авивского университета
На программу IEEE Photonics Society я подавался от Тель-Авивского университета (School of Electrical Engineering, Tel Aviv University). В результате общество поддержало мою работу в рамках той же темы, которой посвящена моя диссертация, — это изучение сложных оптических процессов посредством прототипирования в микроволновый частотный диапазон.
Основной мотивацией данной работы является сложность, дороговизна, а в ряде случаев и невозможность изготовления и характеризация интересующих параметров. В решении всех этих проблем помогает переход от микромира в макромир за счет масштабирования уравнений Максвелла. И, как результат, более доступное экспериментальное оборудование, экспериментальные образцы, которые буквально можно собирать руками.
Эта работа началась еще в 2012 году, когда я был студентом Университета ИТМО, и продолжается до сих пор. Но я бы не назвал данную деятельность исследованием в широком смысле слова. Это скорее метод, который может быть применен для исследования широкого спектра областей: антенны / наноантенны, солнечная энергетика, элементы «оптического компьютера», системы связи и так далее. Работа ведется совместно с широким кругом ученых во всем мире, например с Павлом Гинзбургом (Тель-Авивский университет, Израиль), профессором Юрием Кившарем (Австралийский национальный университет), Александром Ханикаевым (Городской колледж Нью-Йорка, США), Павлом Беловым (Университет ИТМО) и многими другими.
В результате применения данной методики на данный момент уже опубликовано свыше 16 оригинальных статей, среди которых две в Nature Communications, а в ближайшей год ожидается еще 8 публикаций
Что касается практического применения, все эти результаты могут быть логически разделены на три части. Прежде всего, это первое экспериментальное подтверждение теоретически предсказанного физического явления и его непосредственная характеризация. Во-вторых, за счет того, что микроволновый эксперимент значительно дешевле по цене и занимает сравнительно (по отношению с оптическим) меньше времени, данный метод используется для оптимизации параметров реального прибора. И наконец, работа помогает в обучении студентов, когда они буквально в руках могут подержать «наносистемы» и наблюдать их работу.
