Фронтирные лаборатории — новые подразделения ИТМО, которые будут заниматься исследованиями на переднем крае науки. Их главная цель — консолидировать усилия учёных для получения прорывных результатов, фундаментальных открытий, меняющих представления о мире или закладывающих основы для технологий будущего.

Эти задачи заложены в Программе развития ИТМО — 2030 и будут реализоваться в рамках стратегического проекта «Научно-технологический прорыв». Планируется, что до 2024 года будет открыто не менее 10 фронтирных лабораторий. В 2021 году прошел первый конкурс, на котором оценивались проекты такого рода.

Отбор был более чем строгий: руководителям будущих лабораторий нужно было доказать свой опыт работы на острие науки, иметь публикации в топ-3% самых цитируемых мировых журналов, пройти рецензирование и заручиться поддержкой мировых экспертов, а также собрать команду с участием в том числе и молодых специалистов, студентов и аспирантов.

По результатам конкурса в ближайшее время будет создано шесть фронтирных лабораторий:

• Научный центр инфохимии под руководством Екатерины Скорб,
• Лаборатория «Вычислительные методы в системной биологии» под руководством Алексея Сергушичева,
• Лаборатория «Фронтирные технологии для генной терапии рака» под руководством Дарьи Недорезовой,
• Лаборатория «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» под руководством Максима Горлача,
• Лаборатория «Функциональные материалы для поляритонной квантовой логики» под руководством Ивана Иорша,
• Лаборатория «Лазерные диоды на основе наноматериалов» под руководством Сергея Макарова.

Три последние лаборатории будут созданы на базе Нового физтеха. О том, чем именно будут заниматься ученые и каких результатов они планируют достичь, узнали у руководителей новых подразделений.

Максим Горлач

старший научный сотрудник физического факультета ИТМО, руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов»

О чем проект

― Еще в 30-е годы XX века астрономы обнаружили, что материи, которую они регистрируют во Вселенной оптическими методами, недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые движения звезд в галактиках и скоплениях галактик. Поэтому им пришлось постулировать существование темной материи, которая участвует в гравитационном взаимодействии, но практически не проявляет себя в электромагнетизме. Загадка темной материи не разгадана до сих пор. И по всей видимости, тот, кто сможет решить эту проблему, получит Нобелевскую премию. На роль частиц темной материи предлагались разные кандидаты, многие из них на сегодняшний день уже исключены. Сейчас ученые считают, что наиболее перспективным кандидатом является гипотетическая частица аксион, впервые постулированная в 70-е годы.

Недавно профессор Франк Вильчек, нобелевский лауреат по физике 2004 года, вместе с соавторами придумал перспективный вариант экспериментального детектирования аксионов ― с помощью метаматериалов. Это начинание привело его команду к сотрудничеству с коллективом физического факультета ИТМО ― во многом благодаря накопленным у нас компетенциям по физике метаматериалов.

В то время как поиск космических аксионов ― чрезвычайно амбициозная задача без гарантии на успех, похожие уравнения аксионной электродинамики встречаются также в физике конденсированного состояния. В этом случае элементарные коллективные возбуждения (квазичастицы) имеют все свойства аксиона и служат как бы тренировочной платформой для наблюдения космических аксионов. Перспективными структурами такого рода являются так называемые аксионные топологические изоляторы.

Обсуждая с профессором Вильчеком направления сотрудничества, мы выяснили, что аксионные топологические изоляторы только-только были реализованы в физике конденсированного состояния. При этом как создание, так и экспериментальное исследование таких структур весьма трудоемки. В то же время, аксионные топологические изоляторы в фотонике ещё не реализованы, и они могут оказаться гораздо более доступными для экспериментов. Именно на эту задачу мы и нацеливаемся в нашем проекте.

К каким результатам приведет проект

― Одной из быстрых побед в этом проекте станет создание трехмерных топологических изоляторов, которые послужат отправной точкой для создания аксионных топологических структур. Мы планируем реализовать такие структуры в микроволновом диапазоне, на гигагерцовых частотах, что сильно упрощает изготовление и дает простой доступ к их экспериментальному исследованию.

Хочется подчеркнуть, что это направление для нас новое, и нам предстоит многое изучить. И мы активно ищем новых членов команды, начиная с бакалавров и заканчивая аспирантами и постдоками. Изюминка этого проекта ― возможность напрямую поработать с нобелевским лауреатом профессором Вильчеком, изучить новейшие практики у ведущих мировых исследователей. И мы стараемся не терять времени зря: уже в ближайшие недели мой аспирант, который посещает США по стипендии Фулбрайта, сделает семинар в MIT по этой тематике.

Помимо этого, с осени 2022 мы запустим факультативный курс, освещающий физику топологических изоляторов для студентов четвертого курса, магистрантов и аспирантов. Кроме того, мы расскажем про наши результаты на открытых научных семинарах на различных площадках, одновременно продвигая их не только в традиционных медиа, но и в соцсетях.

Хочется верить, что работа нашей команды приведет не только к замечательным научным результатам, но и даст старт карьере многих молодых исследователей и выведет их на научный фронтир.

Иван Иорш

главный научный сотрудник физического факультета, руководитель фронтирной лаборатории «Функциональные материалы для поляритонной квантовой логики»

О чем проект

― Обычно законы квантовой физики работают на микромасштабе ― на уровне одиночных атомов или наночастиц. Но существует целый класс материалов, в которых на больших масштабах законы классической физики внезапно перестают работать. Самый простой пример ― сверхпроводник. Например, в ртути при ее охлаждении до определенной температуры вообще исчезает сопротивление, а вся система начинает описываться одной волновой функцией ― как будто в ней всего один атом. 

Таких материалов довольно много, и все они называются общим словом ― «квантовые». Квантовость возникает из-за того, что движение электронов в таких системах при определенных условиях становится скоррелированным (в отличие от обычных материалов, где электроны двигаются почти  независимо друг от друга). И это явление приводит к возникновению новых фаз вещества, таких как например сверхпроводимость.

Обычно процесс создания квантовых материалов технологически очень сложен, кроме того, это очень дорого. По сути его можно сравнить с алхимией: нужно долго и кропотливо подбирать элементы, соединять их друг с другом в сложные структуры, делать расчёты. По крайней мере так было до того, как появился графен ― максимально простой материал: атомы углерода, упакованные в ячейку в форме пчелиных сот, толщиной в один атом.

Для нашего проекта мы берем за основу ключевые исследования в области квантовых материалов последних двух-трех лет. Но мы будем фокусироваться не на графене, а на других материалах ― двумерных полупроводниках. Это класс материалов, которые состоят из одного атома переходного металла (молибден, вольфрам, рений) и двух атомов халькогена (селен, сера, теллур). Такие материалы имеют довольно устойчивые конфигурации в виде двумерных, толщиной всего в один атом, пленок. Они хороши тем, что их свойства можно исследовать оптически и, более того, управлять ими с помощью лазерного излучения. Мы будем изучать возникновение квантовости материалов в свернутых структурах, представляющих собой моноатомные слои двумерных полупроводников.

К каким результатам приведет проект

― Наша цель ― продемонстрировать возможность оптического управления квантовыми состояниями вещества. На самом деле сейчас такое уже реализовано ― в решетках холодных атомов, когда атомы охлаждаются до тысячных долей градусов выше абсолютного нуля, помещаются в абсолютный вакуум, облучаются десятью лазерами одновременно. Но это стоит миллионы долларов, и хотя фундаментально это очень важная история, в технологию это никогда перейти не сможет. Мы же хотим достичь похожего контроля за квантовыми состояниями вещества, но так, чтобы это могло быть использовано и для квантового компьютера, и для квантовых сенсоров ― то есть в конечном счете чтобы получилось маленькое твердотельное устройство, чип. Это был бы очень крутой результат.

Мы занимались двумерными полупроводниками последние четыре года в рамках мегагранта. У нас есть теоретически-экспериментальный опыт с двумерными материалами, но история со свернутыми слоями для нас совершенно новая.

Для работы нам потребуется некоторое оптическое оборудование, в частности, системы подсчета одиночных фотонов ― как раз через такие системы можно определить, появляются коррелированные фазы в веществе или нет. И в этом программа фронтирных лабораторий нам очень сильно поможет, потому что мы сможем, во-первых, сфокусироваться на задаче, а во-вторых, довести наши установки до необходимого законченного вида.

Сергей Макаров

главный научный сотрудник физического факультета, руководитель фронтирной лаборатории «Лазерные диоды на основе наноматериалов»

О чем проект

― Наш проект скорее фундаментальный, а не технологический, но он не ограничивается только познанием базовых законов природы. Все-таки конечный результат мы видим в создании предварительного прототипа ― лазерного диода на основе материалов и наноматериалов, получаемых методами растворной химии, который при этом мог бы работать под действием электрической накачки. До сих пор эта задача является нерешенной.

Первая Нобелевская премия в этой области была вручена за изобретение лазеров двум нашим соотечественникам ― Николаю Басову и Александру Прохорову. Кстати, я работал в лаборатории, которая была основана Басовым в Москве, писал там кандидатскую диссертацию, видел своими глазами одни из первых лазерных установок в мире. Меня очень сильно вдохновляло работать в том месте, где был осуществлен один из самых ярких прорывов в физике 20 века. Также в 2000 году Нобелевскую премию получил российский ученый Жорес Алфёров ― за создание гетероструктур, что привело к появлению полупроводниковых лазеров, и это уже ближе к нашей тематике. Но здесь использовались твердотельные технологии ― они требуют высочайшего качества материалов, особых условий нанесения и дорогостоящих установок.

Следующим этапом станет создание лазеров из материалов, которые можно получить буквально в пробирке. Те материалы, которыми мы сейчас занимаемся ― перовскиты и полупроводниковые нанокристаллы ― могут быть растворены в жидкости и наноситься в виде слоев из раствора на любые поверхности. При этом за счет несложных химических реакций перовскитам можно придать любой цвет излучения: от ближнего ультрафиолета и видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Более того, синтез материалов в виде нанокристаллов позволяет дополнительно управлять шириной запрещенной зоны за счет квантово-размерного эффекта. То есть, управляя составом материала и размером нанокристаллов, мы можем достигать необходимых параметров по длине волны излучения и в идеале получить максимальную эффективность излучения света.

Ожидается, что такие лазерные диоды будут намного дешевле и подойдут для реализации гибких устройств, то есть могут быть встроены, например, в одежду, носимые устройства. Помимо этого, мы видим большой потенциал этой технологии в устройствах для мониторинга здоровья человека ― тех же пульсоксиметрах, которыми все активно пользуются в нашу ковидную эпоху. У нас уже есть задел по этой тематике, но пока не на лазерах, а просто на светодиодах. Но думаю, что, параллельно работая по этим фундаментальным и прикладным трекам, мы в конечном итоге сможем предложить рабочий прототип.

К каким результатам приведет проект

― Мы поставили перед собой очень амбициозную задачу. Сейчас по этой тематике на приличном уровне работают десятки лабораторий в мире, но до сих пор в чистом виде лазерные диоды еще нигде не реализованы. Это вдохновляет, хотя мы четко осознаем, что есть множество проблем, которые еще предстоит решить. Но у нас есть и свои преимущества по сравнению с другими лабораториями в мире: мы уже способны делать отличные лазеры с оптической накачкой, синтезировать новые лазерные наноматериалы, реализовывать многослойные архитектуры для устройств с электрической накачкой, а также имеем отличный задел в области сверхкомпактных резонаторов.

Наш коллектив насчитывает 18 человек, больше половины ― аспиранты и студенты. То есть средний возраст ученых меньше 30 лет, при этом на одного кандидата наук приходится примерно один аспирант или студент. Более того, мы будем работать в тесной коллаборации с такими именитыми учеными, как Юрий Кившарь, Андрей Рогач, Анвар Захидов и Волкан Демир. Таким образом, молодые исследователи будут готовить диссертации на основе результатов мирового уровня, получая опыт международного сотрудничества.

И это еще одна важная задача, которую будет решать лаборатория ― формировать новое поколение междисциплинарных исследователей. Мне кажется, это идеальный стиль занятия наукой, ведь человек четко понимает, что результаты его работы будут важными, ощутимыми и нужными обществу.