Світло, матерія та шість рукостискань – Наука та технології – Матеріали сайту – Сноб
Представляємо читачам науку спинтроніку та професора Анатолія Звездіна, номінованого на премію «Зроблено в Україні»
Поділитися:
Мета цієї замітки — пояснити читачам, за що саме ми номінуємо на премію «Зроблено в Україні» Анатолія Костянтиновича Звездіна.
Можна, звичайно, пояснити це буквально одним абзацом, і буде доступніше нікуди. Ось уявіть собі компанію атомів, у яких електрони метушливо обертаються, хто як хоче. І ми запускаємо цими атомами дуже короткий електромагнітний — якщо завгодно, світловий — імпульс. Імпульс такий короткий, що поле в ньому завагалося буквально один раз, туди-сюди. І все — цього вистачило, щоб усі атомні дзиги закрутилися в одному напрямку, та так і залишилися крутитися, хоч імпульс уже давним-давно скінчився. Якщо ми навчимося так спритно і швидко закручувати атомні дзиги, то у нас будуть дуже швидкі комп'ютери, тому що магнітні осередки пам'яті — це і є групи атомів, у яких все крутиться в одному напрямку.
Фізики можете видихнути: більше таких грубих профанацій до кінця замітки не буде.
Можливо, читачеві здається, що ця сама «вся фізика» — дуже довга і нудна історія, яка нізащо не вміститься в одній людській голові і яку століттями будують по цеглинах тисячі мурах-вчених. А ось нічого подібного. Історія тієї проблеми, якою займається Звездін із колегами, почалася лише півтора століття тому. А низка вчених, які за естафетою передавали її один одному — від повного незнання до нинішнього стану справ, — складається з шести фізиків*. Тож ми просто спробуємо їх перерахувати.
Історія електродинаміки суцільних середовищ у шести фізиках. Фізик перший
Нашу історію слідуєпочати з Майкла Фарадея. Цей знаменитий британець у 1845 році зауважив, що якщо поляризоване світло пропускати через речовину, вміщену в магнітне поле, то поляризація світла змінює напрямок.
Ах, ви не знаєте, що таке «поляризоване світло» та «магнітне поле»?! Нічого страшного: Фарадей про це теж гадки не мав. Більше того, ми на початку розповіді нагадали вам, що світло — це електромагнітні коливання, а Фарадей, чиста душа, навіть не знав цього. Він просто розповів світові, що, якщо зробити так, можна спостерігати таке.
Коли Фарадей придумав свій фокус (відомий відколи «ефект Фарадея»), йому було 54 роки. А коли йому стукнуло 70, він отримав від свого молодого колеги листа, де той стверджував, що ефект Фарадея він спритно пояснив.
Фізик другий
Колегу звали Джеймс Клерк Максвелл, і його пояснення виглядало повною чортовиною. Там були якісь "молекулярні вихори", які своїм обертанням захоплювали поляризацію світла. З усього цього, на думку Максвелла, якось випливало, що саме світло — це електромагнітне поле. Тридцятирічний вискочка навіть написав кілька досить елегантних рівнянь, що описують всю цю невиразну каламутню з вихорами.
Забігаючи вперед, відзначимо, що рівняння саме виявилися не просто точними, а найточнішими з усього, що фізика відкрила на той момент (а можливо, й дотепер). А ось «вихори» очікувань не виправдали: пізніше з'ясувалося, що ефект Фарадея без квантової механіки взагалі не пояснити. До розщеплення енергетичних рівнів у магнітному полі жоден сучасник Максвелла за всього бажання додуматися не зміг би.
Пізніше Максвелл написав статтю, а потім і книжку «Трактат про електрику та магнетизм», причому стиль його міркувань з роками не став яснішим. Мабуть томубільшість англомовних фізиків приймало його ідею про електромагнітну природу світла з жахливим скрипом. За життя Максвелла його гіпотези сприймалися багатьма як забаганка розуму, в якій, можливо, щось є, але що саме — поки що незрозуміло. Напевно, приблизно так зараз більшість фізиків оцінюють концепцію «космологічного часу» Шона Керрола чи інтерференцію паралельних всесвітів Девіда Дойча.
Але дехто Максвелла одразу зрозумів. Серед тих небагатьох, кого його ідея надихнула, були й українські фізики — Умов та Столєтов. Напевно, це той випадок, коли допомагає погане знання мови: можна не відволікатися на стилістичні тяжкості та заплутану логіку, а стрибати очима за формулами, одразу схоплюючи суть. З цього моменту наша лінія сюжету переміщується до України.
Фізик третій
«. І суворою фізикою мій розум переповнював професор Умов, над імлою космічної він співав, розвивши власи і вигнувши вию, що парадоксами Максвелл знищує ентропію, що вибухи, повні ігри, тануть Томсонівські вихори, і що величезні світи в атомних силах не вщухли>
Звичайно, Умов був поетом, пророком і філософом — мабуть, завдяки цьому він одразу оцінив велич гіпотези Максвелла, і, напевно, завдяки цим самим якостям сам нічого особливого у фізиці не зробив. Натомість дожив до загальної теорії відносності та до квантової механіки. Вчені таки живуть не заради суєтної слави, а щоб якнайбільше зрозуміти про влаштування природи, і Умов встиг зрозуміти — нехай і з чужих статей — дуже багато. А ще встиг розповісти про це студентам. 1909 року на його лекцію вперше прийшов студент Сергій Вавілов.
Фізик четвертий
Що найбільше вразило Вавілова на лекціях Умова, ми вже не впізнаємо, але здогадатися можемо. Сергій Іванович протягом життя відзначивсячи не в усіх галузях фізики, але фізична оптика була його вічним коханням: остання монографія Вавілова називається «Мікроструктура світла». Здається, щось важливе з провиденого в невиразних пророцтвах Максвелла Умов до нього доніс.
В епоху Вавилова розбиратися у складних відносинах матерії та світла було вже неможливо без допомоги квантової механіки. Проблеми, якими займався вавилівський інститут — «Чому такі кристали різнокольорові?» або «Чому електрони, швидко летячи в речовині, гарно світяться блакитним світлом?», — ще виглядають по-дитячому класичними, але в своїй основі це вже та сама зубороздрібна сучасна фізика, яка живить розум нинішніх фізтехівців, а нам загрожує квантовими комп'ютерами.
Сергій Іванович Вавілов отримав цілих чотири премії імені вбивці свого брата, тобто Сталінських. А от Нобелівської – за блакитні електрони – не отримав, просто не дожив. Нобелівську отримав хлопець, який прийшов до Вавілова в аспірантуру ФІАН у 1939 році. Хлопця звали Олександр Прохоров. І зайнявся він усе тією самою історією — поширенням електромагнітних коливань у речовині.
Фізик п'ятий
Україна дала світу всього дюжину нобелівських лауреатів-фізиків, і Прохорова, з його лазерами, просто не могло не бути серед них. Ці лазери, кажуть, зажадали від нього чималої організаторської волі. У лабораторії Прохорова займалися різними аспектами взаємодії електромагнітних полів з речовиною, у тому числі НВЧ-випромінюванням (і, власне, тим самим «терагерцевим» випромінюванням, яке входить до сфери інтересів Анатолія Звездіна). Так ось, одного чудового дня Прохоров заборонив усі роботи з НВЧ і особисто розбив лабораторні прилади. Був скандал, багато хто звільнився. Натомість решта зосередилася на лазерах і дотягла до Нобелівки.
Лазери – це насправді ось що. Прохоров та його колеги придумали, як за допомогою атомів (матерії) із звичайного електромагнітного поля можна спорудити незвичайне — величезну купу фотонів, які знаходяться рівно в тому самому квантовому стані. За допомогою таких фотонів, виявляється, можна робити кумедні речі. Наприклад, зобразити в небі над Червоною площею величезний портрет Путіна, забацати веселий візерунок на стелі бару або посвітити ними в очі пілоту, що веде літак на посадку, і подивитися, що буде. А ще можна створювати фемтосекундні імпульси, з якими зараз працює Звездін.
Втім, повернемося до квантової електроніки, основоположником якої небезпідставно вважають академіка Прохорова. Саме під керівництвом Прохорова — в ІОФАН і Фізтех, де він очолював кафедру, — проходили ранні етапи наукової кар'єри Анатолія Звездіна. Він і є шосте покоління фізиків, що розплутують складності взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною.
Фізик шостий
На цій наступності Анатолій Костянтинович особливо наполягає. «Коріння наших досліджень лежить у радянській науці. Я належу до школи академіка Прохорова. Він та інші мої вчителі – у тому числі академік В.-А. С. Боровик-Романов, професор К. П. Бєлов з МДУ — гіганти, сидячи на плечах яких я та мої колеги вивчаємо фізику надтонких процесів у магнетизмі».
Історію пізнання, що вмістила шість поколінь, неможливо коректно викласти за шість хвилин; Звєздін навіть і не намагається. Описуючи свою роботу, він починає з тієї самої байки про «атомні дзиги»: «Уявіть собі лазерний світловий імпульс довжиною у фемтосекунду, всього два коливання поля, вгору-вниз. Ми показали, що це імпульс викликає швидку динаміку магнітних спинів в ансамблі атомів. Імпульс скінчився, авони продовжують обертатися. Наступний крок – довести, що імпульс може перемагнітити речовину. І ми зараз якраз працюємо над механізмом повного перемагнічування матеріалу коротким імпульсом».
Анатолій Звездін, зрозуміло, одразу коригує свою картинку, споряджену на потребу неосвіченим популяризаторам: «У цій галузі править бал квантова механіка. Без неї там ні кроку. Справа в тому, що ми знайшли такий механізм, який раніше здавався забороненим. Це відкриває шлях для створення швидкодіючої електроніки, а в перспективі квантового комп'ютера».
У робіт Звездіна та колег є і ще один цікавий додаток. Коли лікарі роблять вам МРТ (магнітно-резонансну томографію), вони знаються на ваших нутрощах, аналізуючи взаємодію електромагнітного поля з речовиною — наприклад, вашою головою. При цьому вам важливо лежати спокійно і не смикатися. Але в природі весь час щось смикається, причому дуже швидко: фемтосекунди (одна квадрильйонна секунда) — характерний час процесів, що відбуваються з атомами матерії, живою та неживою. І якщо Зоряну з колегами вдасться зрозуміти, як взаємодіє з атомами фемтосекундний імпульс поля, це відкриє шлях для пізнання механізмів життя в немислимих, фантастичних подробицях.
Це станеться не зараз і завтра. Але Анатолій Звездін, будучи ще й викладачем Фізтеха, закладає основи для того, щоб це колись сталося.
«У нашій роботі є важливий аспект, пов'язаний із освітньою діяльністю. Ми залучаємо до роботи студентів. Маємо одну дівчинку, закінчила IV курс, бакалавр. Вона вже на рівних співпрацює із фахівцями у цій галузі. Нещодавно зробила усну доповідь на міжнародній конференції щодо наших досліджень».
Залишається додати, що«Дівчинку» звуть Маргарита Давидова. Можливо, якщо років через сто хтось продовжить розповідати історію спадкоємності фізиків, від Фарадея до XXII століття, йому можна буде почати прямо з Маргарити. За нашим рахунком це буде Фізик сьомий.
Анатолія Звездіна номіновано на премію «Зроблено в Україні» «за спосіб у тисячу разів збільшити швидкість роботи комп'ютера», за хитрі ігри з іонами тулію, тербію та вісмуту, що змушують їх слухняно реагувати на терагерцеве випромінювання. Але ще й за те, що завдяки професору Фізтеху Анатолію Звездіну, можливо, не перерветься та спадкоємність, яку ми розповідали. Обірвати з необережності ланцюжок легше за легеню. Але якщо її зберегти, можливо, якийсь час ця сюжетна лінія триватиме і в Україні. Це цілком відповідало б духу нашої премії.
Примітки