От сложных квантовых эффектов до управления нанообъектами. Физика XXI века в России

Многие называют XX век веком физики. Именно на него пришлись фундаментальные открытия в области микромира, позволившие использовать энергию ядра, создавать микроэлектронику и уникальные источники излучения: от лазеров до рентгеновских аппаратов. Благодаря тесной связи этих открытий с интересами военной промышленности настоящий бум в середине века пережили ядерная физика, физика плазмы и физика лазеров. Не стал исключением и Советский Союз, ставший в этих направлениях одним из мировых лидеров. Благодаря своему высокому уровню советские физики после распада СССР нашли себе постоянное или временное место в научных центрах за рубежом. Многие из них не разрывали прежние связи, что позволило сохранить мировой уровень исследований в некоторых институтах и университетах в России.

С улучшением финансирования науки в 2000–2010-е годы это позволило им стать точками роста, а оставшимся в России или решившим вернуться ученым собрать сильные коллективы. Физика XXI века открыла и новые горизонты исследований, связанные в первую очередь со сверхточным контролем микрообъектов и их состояний: наноструктурированием, квантовой информатикой, генерацией ультракоротких импульсов. И эти направления активно развиваются в современной России наряду с более традиционными.

Вглубь атомного ядра на поиски новых частиц и неоткрытых законов

Одно из главных направлений в современной физике —  исследование вещества на уровне самых фундаментальных составляющих его частей — субатомных частиц. Из школы мы знаем, что все тела состоят из атомов, атомы из электронов и ядер, а ядра из протонов и нейтронов, однако в XX веке физики открыли, что этот мир значительно богаче и интереснее. Оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц — кварков, которые могут объединяться и в другие частицы: пионы, мезоны, каоны и т. д. Но кроме того существуют и частицы совсем другого типа: практически неуловимые нейтрино, рождающиеся в ядерных реакциях, античастицы, которые абсолютно аналогичны нашим обычным частицам, но имеют обратный заряд. Например, если электрон отрицательно заряжен, то антиэлектрон, его называют позитроном, — положительно. Чуть позже были открыты и частицы, которые во всем похожи на привычные нам, но более тяжелые: так, у электрона есть более тяжелые собратья — мюон и тау-лептон.

Все эти открытия были связаны с изобретением и развитием ускорителей — устройств, предназначенных для ускорения частиц до высоких и сверхвысоких энергий. Ускоренные частицы затем сталкивают друг с другом, и в инициированной таким образом ядерной реакции и рождаются новые частицы. Чем выше энергия ускоренных частиц, тем больше новых частиц можно получить при столкновении. Поэтому ученые строили ускорители все больших и больших размеров. Самый большой ускоритель на данный момент — Большой адронный коллайдер, построенный в Швейцарии Европейской организацией по ядерным исследования ЦЕРН. Размер этого ускорителя, однако, настолько велик, что его строительство не смогло бы потянуть ни одно государство в мире, поэтому в его разработке и создании детекторов частиц для него участвовали большинство развитых стран мира, в том числе и Россия, игравшая одну из главных ролей.

Наиболее ярким российским достижением в области субатомной физики за последние годы и даже, пожалуй, десятилетия стало получение новых химических элементов в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Здесь в 1950-е годы Георгием Николаевичем Флёровым была организована Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР), которую после его ухода в конце 1980-х возглавил Юрий Цолакович Оганесян. В течение десятков лет ЛЯР оставалась мировым лидером в области синтеза ядер с рекордно высоким количеством протонов, то есть химических элементов с самыми большими номерами. К 1952 году были синтезированы элементы с номерами до 100. Сейчас их уже 118, и большая часть была получена усилиями сотрудников ЛЯР. В знак признания их заслуг 105-й элемент получил название дубния, 114-й — флеровия, 115-й — московия, а последний из синтезированных на данный момент 118-й в 2010 году был назван оганессоном. Это всего второй случай в истории, когда элемент получил название в честь еще живущего человека.

Сейчас ЛЯР работает над созданием фабрики сверхтяжелых элементов — мало создать новые элементы, хотелось бы также и изучить их свойства, а для этого нужны надежные методы их получения в достаточно большом количестве. В 2022 году ученые установили рекорд — более 238 синтезированных атомов сверхтяжелых элементов. Удалось даже начать исследования химических свойств 112-го и 114-го элементов.

Но ОИЯИ знаменит не только ЛЯР и синтезом сверхтяжелых элементов. Уже более 30 лет здесь работает ускоритель тяжелых ионов «Нуклотрон». В ядрах тяжелых ионов много протонов и нейтронов, а значит и кварков, из которых они состоят. Столкновение таких ядер позволяет изучать не рождение новых частиц, а свойства ядерного вещества. И сейчас на базе этого ускорителя создается новый еще более мощный — NICA, который вошел в число шести мегасайнс-проектов, поддержанных правительством Российской Федерации. NICA, начало работы которой ожидается в ближайшем будущем, станет уникальной установкой в мировом масштабе, на которой будет изучаться ядерная материя и ее превращения в сильно сжатом состоянии, которое в природе встречается только в таких экзотических космических объектах, как нейтронные звезды или ядра сверхновых звезд.

Помимо NICA в число мегасайнс-проектов вошли еще несколько ускорителей. Один из них, Супер чарм-тау фабрику, планируется построить в Новосибирске силами Института ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН). Это будет ускоритель электронов и позитронов, столкновение которых и собираются здесь изучать. Главная цель проекта — получение и подробное изучение тау-лептонов, очень тяжелых «братьев» электронов, открытых еще в 1975 году, но до сих пор практически не исследованных.

Сейчас же в ИЯФ СО РАН действует несколько электрон-позитронных ускорителей поменьше, в ходе экспериментов на которых иногда получают неожиданные результаты. Например, наблюдения за превращением сталкивающихся электрона и позитрона в другие ядерные частицы — пионы — показали, что вероятность такого превращения выше, чем была измерена другими группами. Почему — еще предстоит разобраться. Возможно, виноваты некие пока неизвестные науке частицы.

Отдельным важным для приложений типом ускорителей являются электронные синхротроны — источники яркого рентгеновского излучения, с помощью которого можно исследовать атомную структуру материалов, биологические молекулы и действующие вещества лекарственных препаратов. В России нет синхротронных источников современного уровня. Крупнейший из действующих — Курчатовский источник синхротронного излучения (КИСИ) в Москве — был спроектирован еще в конце 1980-х. Поэтому одним из мегасайнс-проектов стал новый синхротронный источник СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов), строительство которого ведется в Кольцово под Новосибирском. Как и КИСИ, этот проект разрабатывается и реализуется в первую очередь усилиями ИЯФ СО РАН, ведущего российского центра в области электронных ускорителей.

Еще один крупный проект, в котором специалисты ИЯФ СО РАН играют ведущую роль, — комптоновский источник гамма-квантов с рекордной светимостью, планируемый к постройке в Национальном центре физики и математики (НЦФМ) под Саровом. Его открытие позволит изучать взаимодействие частиц света — фотонов — с атомными ядрами.

В Гатчине, в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ), входящем в состав Курчатовского института, планируется вскоре ввести в строй еще один мегасайнс-проект под названием ПИК. Он представляет собой исследовательский ядерный реактор, предназначенный для генерации потоков нейтронов. Как и рентгеновское, нейтронное излучение может применяться для изучения веществ и молекул. Его уникальная способность заключается в том, что нейтроны позволяют определять, какие именно атомы присутствуют в веществе. Кроме того, они обладают иной проникающей и поглощающей способностью, и потому нейтроны и рентген способны дополнять друг друга в исследованиях.

Помимо фундаментальной физики и материаловедения ускорители применяются и в медицине. Например, с помощью ускоренных протонов можно удалять раковые опухоли. Метод, называемый протонной лучевой терапией, работает аналогично рентгенотерапии. Однако в отличие от рентгена протоны могут проникать глубоко внутрь вещества и доставлять дозу облучения прицельно на эту глубину. То есть их можно использовать, даже если прямой доступ к опухоли отсутствует. В России центры, где проводят такие операции, открыты в Гатчине на базе ПИЯФ, в Троицке на базе Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) и в Протвино на базе филиала Физического института РАН (ФИАН).

Другое необычное приложение ядерных технологий — мюонография. Мюоны — частицы, аналогичные электронам, но более тяжелые, — в большом количестве прилетают к нам из космоса и могут пролетать сквозь большие объекты, немного отклоняясь от прямолинейной траектории, если внутри есть полости. Они позволяют, например, находить магмовые резервуары внутри вулканов, что важно для предсказания их извержений. В последние годы мюонографию применяют также для исследования объектов культурного наследия. Например, мюоны позволили обнаружить внутри одной из египетских пирамид неизвестную до того комнату. В России мюонографию развивают в ИЯИ РАН, где показали, как с ее помощью можно исследовать верхние слои атмосферы и определять их температуру. А коллектив ученых из ФИАН, МИСиС, МИФИ и МГУ мюонографией обнаружил неизвестные пустые комнаты в подвалах Свято-Троицкого Данилова монастыря в Переславле-Залесском.

Извлечь энергию ядра в строптивой плазме

Другое традиционно сильное направление в России — изучение плазмы: состояния вещества, в которое оно переходит при высоких температурах, когда электроны отрываются от атомов. Исследования в этой области во многом стимулировались интересом к управляемому термоядерному синтезу, а также тем, что в состоянии плазмы находится вещество звезд, межзвездного газа и верхних слоев атмосферы планет.

Идея термоядерного синтеза заключается в том, чтобы получать энергию при объединении ядер, как это происходит в недрах звезд. Проблема в том, что в этом случае топливо требуется нагреть до чрезвычайно высоких температур — более 150 миллионов градусов — и удерживать при такой температуре продолжительное время. Вещество при этом переходит в состояние плазмы, и для его удержания было предложено использовать поля мощных магнитов. Наиболее удачным дизайном магнитной ловушки для плазмы оказался предложенный в СССР токамак — в нем плазма в виде жгута циркулирует по кругу, а удерживает ее система электромагнитов. Оказалось, однако, что достижение положительного выхода энергии требует строительства токамака огромных размеров — более 10 метров в диаметре. Поэтому сейчас во Франции активно строится Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER с участием обширной коллаборации, но первую плазму в нем ожидают не раньше 2035 года.

Россия играет одну из центральных ролей в проекте ITER. Здесь разрабатывают материалы для внутренних стенок камеры, способные выдерживать огромные потоки тепла и выбросы горячей плазмы, а также производят сверхпроводящие магниты и сверхмощные микроволновые излучатели под названием гиротроны, предназначенные для нагрева плазмы.

Кроме того, Россия участвует в исследовательской программе ITER, в рамках которой проводятся, например, эксперименты на классических токамаках Т-15 МД в Курчатовском институте и Т-11М в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ). Исследуются и новые идеи магнитного удержания плазмы. С появлением мощных сверхпроводящих магнитов удалось создать более компактные версии токамаков — сферомаки, в которых форма плазмы близка к сферической. Один из них, Глобус-М2, был пущен в 2018 году в Санкт-Петербурге, в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ Иоффе). В 2022 году на нем впервые достигли температур, близких к термоядерным. В Институте общей физики РАН (ИОФ РАН) действует усложненный вариант тороидальной ловушки — стелларатор Л-2М. Его особенность — более сложная система магнитных катушек, извивающих плазменный шнур винтом для большей устойчивости работы.

Помимо ловушек, в которых плазма циркулирует по кругу, исследуют и ловушки, в которых частицы плазмы двигаются между двумя магнитами, отражаясь от них, как от стенок. Такие ловушки называют открытыми, поскольку магнитные стенки невозможно сделать идеально непроницаемыми. Одна из самых больших современных систем такого типа — Газодинамическая ловушка (ГДЛ) — работает в Новосибирске в ИЯФ СО РАН. Ученым удалось преодолеть на ней многие проблемы открытых ловушек и показать, что это направление обладает потенциалом стать основой для термоядерных реакторов будущего.

Исследования плазмы, однако, не ограничиваются термоядерными реакторами. Плазма может быть использована для генерации ультрафиолетового и рентгеновского излучения, с ее помощью можно проводить химические реакции, плазму с низкой температурой применяют в медицине. В России такие исследования проводят во многих центрах, крупнейшими из которых являются ФИАН, ИЯФ СО РАН, ФТИ Иоффе, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде.

Мощнее, точнее, стабильнее: лазеры и их применение

Еще одно направление, в котором традиционно сильны российские ученые, — физика лазеров и их взаимодействия с веществом. Впервые принцип лазерной генерации был реализован для волн микроволнового диапазона. За создание устройства, которое назвали мазер, Нобелевская премия была вручена в том числе советским физикам Николаю Геннадьевичу Басову и Александру Михайловичу Прохорову. Поэтому, когда в 1960 году в США был создан первый лазер, практически тут же он был воспроизведен и в СССР, причем сразу в нескольких местах: сильные лазерные школы возникли в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Нижнем Новгороде и много где еще. С лазерами связана и Нобелевская премия Жореса Ивановича Алферова, который, работая в ФТИ Иоффе, придумал технологию изготовления эффективных лазерных излучателей на основе полупроводников.

Лазерные технологии дали возможность получать источники мощного излучения, которые практически сразу предложили использовать для инициации термоядерных реакций. Самый большой лазерный термоядерный центр в мире сейчас — National Ignition Facility в США, где после более 10 лет неудачных попыток и усовершенствований в 2022 году наконец удалось 2 мегаджоуля энергии излучения 192 лазеров преобразовать в 3 мегаджоуля энергии термоядерного синтеза, впервые в истории получив положительный выход. Аналогичная система была несколько лет назад построена во Франции. В России лазерным термоядом занимаются в Российском федеральном ядерном центре ВНИИЭФ в Сарове. Здесь сооружается лазерная система УФЛ-2М с запланированной суммарной энергией импульсов чуть меньше 3 мегаджоулей.

Другое направление в создании мощных лазерных систем связано с достижением рекордно высокой мощности. Поскольку мощность — это количество энергии, переносимой в единицу времени, то для ее повышения используют сверхкороткие импульсы, длительность которых в современных системах может составлять всего 20–30 фемтосекунд (1 фемтосекунда равна 10^–15 с). Хотя энергии в них не так много, как в лазерах для термоядерного синтеза: не больше десятков джоулей, мощность достигает невероятной величины в несколько петаватт (ПВт, 10¹⁵ ватт). Такие лазерные импульсы превращают вещество в микроускорители заряженных частиц с огромной величиной ускорения. Например, сейчас лазерные ускорители электронов способны получать частицы той же энергии, что и традиционные ускорители длиной полкилометра, но в канале длиной всего 10 см. Лазерный ускоритель можно превратить в источник яркого рентгена, а также протонов, нейтронов и позитронов, то есть использовать его в тех же приложениях, что и традиционные ускорители: материаловедении, молекулярной биологии, медицине.

В России наибольшей мощности лазерного излучения достигли в нижегородском ИПФ РАН, где лазер PEARL в 2021 году сгенерировал импульсы мощностью 1,5 ПВт. Это пока в шесть раз меньше мирового рекорда. Помимо стандартной схемы генерации здесь была использована и оригинальная разработка так называемой компрессии после компрессора, которая позволила дополнительно укоротить лазерный импульс в несколько раз, повысив его мощность.

На основе этих работ в НЦФМ вблизи Сарова планируется построить еще один мегасайнс-проект XCELS, в котором излучение 12 лазеров мощностью по 50 ПВт будет сведено в одну точку, чтобы достичь рекордной мощности 600 ПВт. Теория предсказывает, что при столь высоких концентрациях энергии излучение начнет взаимодействовать с самим вакуумом, а точнее с квантовыми флуктуациями в нем. В результате лазерный импульс должен будет превратиться в поток большого количества электронов и позитронов. Исследование этого процесса позволит больше узнать о строении нашего мира на микроуровне.

Лазерное излучение можно использовать и для получения излучения других диапазонов, недоступных для генерации напрямую. Например, в промежутке между микроволновым излучением и видимым светом есть диапазон, называемый терагерцовым (ТГц), и действующие в нем хорошие и дешевые излучатели не созданы до сих пор. Подобно рентгеновскому, ТГц излучение способно проходить сквозь тела, позволяя делать их снимки, но при этом оно не является ионизирующим, и потому безопаснее.

Какими способами можно получать ТГц импульсы? Вот вам один из них: облучение короткими мощными лазерными импульсами специальных мишеней, в которых они создают электрические токи, а те (в свою очередь) излучают ТГц импульсы подобно микроантеннам. Так, в 2021 году в ФИАН удалось создать простой источник в близком к ТГц диапазоне, пропуская фемтосекундные лазерные импульсы сначала через воздух с образованием в нем плазменных нитей, а затем облучая преобразованными в этом процессе импульсами кристаллы тиогаллата лития. Ученые Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН совместно с Институтом физики твердого тела РАН, ИОФ РАН, МГТУ, ИТМО и МФТИ исследуют возможности сапфировых оптических элементов для улучшения ТГц излучателей. Самые же мощные ТГц импульсы научились получать в Объединенном институте высоких температур РАН (ОИВТ РАН), где используют мишени в виде органических кристаллов.

Еще одно современное направление в лазерной физике — сверхточные измерения времени. С помощью лазерных технологий были построены самые точные часы на основе атомных переходов: при облучении лазерным импульсом электроны в атоме начинают совершать колебания, период которых известен с огромной точностью. Измеряя с помощью того же лазера число совершённых колебаний, можно измерять промежутки времени. В России такие технологии развивают в ФИАН. Из последних их достижений: демонстрация рекордно низкой погрешности измерения в оптических часах на атомах тулия, перспективных с точки зрения создания транспортируемых часов, поскольку атом тулия, в отличие от ранее использовавшихся, обладает высокой устойчивостью к внешним воздействиям.

Наноструктуры для управления светом

Совсем новое направление в исследованиях света связано с его взаимодействием с микро- и наноструктурами на поверхности или внутри вещества. В последние 10–20 лет наблюдается настоящий бум в этом направлении, связанный с появлением технологий сверхточного изготовления наноструктур. Иногда его называют нанофотоникой или в случае металлических микроструктур — наноплазмоникой. Сами вещества с наноструктурами иногда называют метаматериалами, поскольку, подбирая форму и размер структур, можно создавать материалы с искусственно заданными свойствами, в том числе и с такими, которые не встречаются в природе.

В России сильные коллективы в этой области работают в МФТИ, ИТМО, Сколтехе, МГУ, ФИАН, Институте спектроскопии РАН (ИСАН) и в других центрах. Оказалось, что математическое описание света, запертого в микроструктурах или распространяющегося вдоль них, очень близко к моделям атомного строения кристаллов и других твердых тел. В результате удалось провести аналогии между так сильно непохожими внешне системами и позаимствовать многие идеи физики твердого тела в нанофотонике.

Например, в 2022 году в ИСАН были проведены пионерские эксперименты в области топологической фотоники. В твердых телах давно известна идея топологических изоляторов — веществ с экзотической электронной структурой, которые внутри являются изоляторами, то есть не проводят ток, но у них на поверхности существует тонкий слой, в котором ток может идти практически без сопротивления. Несколько лет назад было предложено использовать аналогичный эффект в фотонике, создав метаматериалы, в которых свет может распространяться только по краю, но при этом практически без потерь и рассеяния. Именно это и удалось реализовать группе из ИСАН.

Важно уметь контролировать свойства метаматериалов в широком диапазоне значений. С этой целью ученые ищут новые виды подходящих наноструктур. Например, группа исследователей из МФТИ, ИТМО и МГУ предложила использовать в качестве таких структур усеченные конусы. Оказалось, что, в отличие от традиционных цилиндров или шариков, они демонстрируют более разнообразное поведение. Меняя размеры частей такого конуса, можно получать материалы, полностью поглощающие свет, или наоборот абсолютно прозрачные, или, например, «поворачивающие» световой луч на 90 градусов.

Вблизи абсолютного нуля: ультрахолодные атомы в ловушках

Тесно примыкает к теме лазеров и оптики и еще одно современное направление — охлаждение атомов до сверхнизких температур в оптических ловушках. Этот метод позволяет практически полностью останавливать движение атомов, понижая их температуру практически до абсолютного нуля (–273,15 °C) — до миллиардных и триллионных долей кельвина (1 кельвин равен 1 °C, но 0 кельвин соответствует абсолютному нулю).

Лазерно-охлажденные атомы в России исследуют в ИСАН, ОИВТ РАН, ФИАН, СПбПУ и других местах. Самых низких температур удалось достичь лаборатории в ИПФ РАН — всего 10 нанокельвин (10^–8 кельвин).

Такие системы используют для самых разных исследований. Например, атомы в ловушке можно использовать как элементарные вычислительные элементы — кубиты — для квантовых вычислений. В 2023 году в ФИАН была создана первая в России 4-кубитная система на этой основе.

А еще из ультрахолодных атомов, подействовав на них дополнительным излучением, можно создать такую же ультрахолодную плазму. В отличие от обычной плазмы, температура которой очень велика, такую плазму проще исследовать, тем более что многие процессы в ней из-за низкой температуры и малого числа атомов в ловушке сильно замедлены. В ОИВТ РАН впервые в мире удалось создать такую плазму, существующую непрерывно. Ранее все подобные исследования в мире проводились в импульсном режиме, что осложняло измерения.

Наконец, атомы в оптических ловушках широко используются для фундаментальных исследований. С их помощью можно изучать квантовые явления при сверхнизких температурах. Например, известно, что многие металлы при охлаждении переходят в сверхпроводящее вещество. В ИПФ РАН аналогичный переход был продемонстрирован и для атомов лития.

Электроника XXI века

Много исследований в области физики посвящены изучению того, как ведут себя электроны в различных веществах, а также в искусственно созданных структурах. Эти работы когда-то дали жизнь электронике и созданию всего многообразия электронных устройств. Сейчас ученые сконцентрированы на том, чтобы открывать и исследовать неизвестные ранее эффекты в этой области, а также на поиске новых подходов к переносу информации в электронных системах.

Одна из бурно развивающихся областей носит название спинтроники. Ее идея заключается в том, чтобы, в отличие от обычной электроники, где сигнал переносится при помощи заряда электрона, то есть электрического тока, использовать с той же целью другую его характеристику — спин. Каждый электрон — маленький магнит, и спином называют величину, которая характеризует силу этого магнита. Управлять спином можно с помощью магнитных полей, что намного перспективнее, чем двигать электроны электрическим полем, поскольку при этом отсутствует электрическое сопротивление и не происходит разогрев устройства.

В России этим и смежными направлениями занимаются в практически каждом более или менее крупном физическом центре. Из совсем свежих результатов можно, например, выделить новые технологии получения карбида кремния как материала для спинтроники, разработанные в Институте проблем машиноведения РАН, или разработку магнитных наноструктур спинтроники с рекордными характеристиками в Институте физики металлов УрО РАН. Ученые из ФИАН обнаружили, что если в кристаллы иттриум-алюминиевого граната добавить атомы церия, то для электронов наблюдается рекордно широкий спиновый резонанс, что позволяет удобнее управлять спинами электронов с помощью лазеров, а не магнитных полей. Наконец, специалисты Курчатовского института изобрели универсальный интерфейс между кремнием и кристаллическими оксидами — структурами, считающимися перспективными для спинтроники. Эта технология позволит проще и дешевле их выращивать. 

Огромный интерес в мире в 2000-е годы вызвало открытие Андреем Геймом и Константином Новоселовым — выпускниками МФТИ, работавшими в тот момент в Манчестерском университете в Великобритании, — метода получения графена, листа из углерода толщиной  в один атом. Это дало толчок к развитию целого нового направления: физики двумерных материалов. Сейчас такие одноатомные листы могут получать также из бора, кремния, фосфора, соединений серы или селена с некоторыми металлами и многих других веществ. Часто они обладают уникальными свойствами: сверхмалым сопротивлением электрическому току, сверхвысокой теплопроводностью, повышенной жесткостью.

Участвуют в этих исследованиях и российские физики. Например, в ИТМО совместно с коллегами из Южной Кореи в 2022 году научились управлять оптоэлектронными свойствами двух близко расположенных одноатомных листов селенида молибдена и вольфрама за счет изменения расстояния между ними. Оптоэлектронные устройства позволяют осуществлять эффективную связь между светом и электроникой, что позволит создать сверхбыстрые оптические процессоры. Сотрудники МФТИ исследовали другой перспективный оптоэлектронный материал — слой графена на поверхности нитрида бора и обнаружили аномально высокую его способность поглощать свет, что может быть важно при создании детекторов света или сенсоров. В 2023 году группа из Курчатовского института и ИОФ РАН смогла разместить графен на поверхности кремния с вкраплениями микромагнитов на основе европия. Такие двумерные магнитные системы позволяют управлять с высокой точностью спином электронов и востребованы в упоминавшейся выше спинтронике.

Не сопротивляясь электрическому току

Много исследований и в мире, и в России посвящено изучению сверхпроводимости. Хотя само явление резкого снижения до нуля сопротивления многих веществ при понижении температуры было открыто более 100 лет назад, долго для достижения сверхпроводимости требовалось их охлаждать до температуры жидкого гелия (около –270 °C). В конце 1980-х годов, однако, случился прорыв. Был открыт новый класс сверхпроводников на основе купратов, которые переходили в сверхпроводящее состояние при значительно более высокой температуре — около –150 °C. Их можно охлаждать более дешевым жидким азотом. К сожалению, практически все из них оказались нетехнологичными: легко разрушались или теряли сверхпроводящие свойства.

Однако поиски продолжаются, и в последние годы больших успехов удалось достичь по поиску сверхпроводимости в соединениях водорода с другими элементами — гидридах. Для этого, правда, приходится помещать образцы под огромные давления — миллионы атмосфер. Зато температура сверхпроводящего перехода при этом уже достигла комнатной: для соединения водорода, серы и углерода сверхпроводимость наблюдали при 15 °C и давлении около 3 миллионов атмосфер. Существует надежда, что в не очень отдаленном будущем будут обнаружены способы достичь того же результата и при более низких давлениях.

В России сверхпроводимостью гидридов занимаются, в частности, в ИЯИ РАН и Институте кристаллографии РАН (ИК РАН). Ученые этих центров синтезировали несколько различных соединений водорода с железом, в которых была обнаружена сверхпроводимость. Совместно со Сколковским институтом науки и технологий (Сколтехом) ученым ИК РАН удалось также получить гидриды иттрия и лантана с температурой сверхпроводящего перехода около –20 °C. Большую роль в этих исследованиях играет численное моделирование, предсказывающее сверхпроводимость в различных материалах. Одни из мировых лидеров в этой области работают сейчас в Сколтехе и МФТИ.

Традиционные сверхпроводники тоже продолжают вызывать интерес, поскольку позволяют создавать квантовые устройства. Например, микрокольца из сверхпроводников могут быть использованы в качестве кубитов — элементов квантовых компьютеров,  в России ими занимаются в МИСиС и Российском квантовом центре. Кроме того, специальные электронные устройства могут быть созданы при совмещении сверхпроводников с другими материалами. Например, сотрудники ДВФУ показали, что структуры сверхпроводник / ферромагнетик можно использовать в качестве энергонезависимых перезаписываемых логических схем для энергоэффективных вычислений.

В ФИАН исследуют новый вид материалов — магнитные сверхпроводники, существование которых ранее считалось невозможным. Открытые в 2016 году сверхпроводники сложного состава, содержащие атомы мышьяка, железа и европия демонстрируют одновременно и сверхпроводимость, и ферромагнетизм. В этих материалах вещество устроено слоистым образом: сверхпроводящие слои арсенида железа разделяются слоями ферромагнитного европия. Такие вещества могут быть востребованы во все той же спинтронике. 

О чем еще мы не рассказали

В нашем небольшом тексте, к сожалению, нет никакой возможности затронуть все проводимые исследования в такой большой стране, как Россия, и даже упомянуть все институты и университеты, которые ими заняты. Мы ничего не сказали ни про применение физических методов в биологии и медицине, ни про геофизические исследования молний, волн на воде, аэрозолей в атмосфере или влияния солнечной активности на околоземное пространство. В России создают новые источники микроволнового излучения, изучают сложные квантовые эффекты в полупроводниках, исследуют свойства вещества при сверхвысоких давлениях и многое другое. Надеемся, любознательный читатель сможет найти информацию об этом в периодических научно-популярных изданиях.

Социологические исследования российской науки показывают, что, как и в XX веке, физика остается крупнейшим научным направлением в России. Широкая сеть взаимосвязанных исследовательских центров, раскинувшаяся в буквальном смысле от Калининграда до Владивостока, обеспечивает выполнение работ на мировом уровне. Конечно, ее размер все еще недостаточен для покрытия всех современных направлений в физике, а финансирование далеко не всегда позволяет закупать наиболее современное оборудование, тем не менее российские физики играют заметную роль в мировой науке. И если удастся реализовать все планы по новым проектам, то эта роль станет еще заметнее.

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.}