О том, как изучение терагерцовых волн поможет найти жизнь в глубинах космоса и определить, нужно ли делать близорукому пациенту операцию, зачем делают оптические чипы и когда квантовые компьютеры появятся в широком употреблении, нам рассказал профессор Григорий Гольцман, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики и радиофизической лаборатории МПГУ.
Практически каждый факультет в МПГУ дает как на педагогическую, так и фундаментальную подготовку. С педагогами все понятно, – их очень не хватает, выпускники университета с самого начала проходят практику с детьми, поэтому заканчивают вуз уже опытными учителями – их мгновенно «разбирают» школы, приглашая студентов сначала на практику, а сразу после выпуска – к себе на работу. А зачем педагогический вуз готовит ученых? Ученые двигают и поднимают уровень образования, без науки нет объема и горизонта, в котором должен существовать полидисциплинарный университет, каким и является сейчас, по факту, МПГУ. Важно, что студенты МПГУ включены в реальную деятельность и масштабные научные проекты уже во время обучения. Например, студенты и аспиранты радиофизической лаборатории Григория Гольцмана в ИФТИС МПГУ делают уникальные приборы, которым нет аналогов в мире, участвуют в международных космических программах.
Григорий Наумович, что интересного у вас происходит, какие направления прикладных исследований вы развиваете сейчас в вашей лаборатории?
Одно из них связано с созданием приборов для исследования дальнего космоса с помощью волн терагерцового диапазона и поиском жизни во Вселенной. Эти волны находятся на границе между волнами видимого света и радиоволнами. Исторически их изучение началось именно здесь, в стенах тогда физико-математического факультета Московских высших женских курсов (МВЖК), примерно 100 лет назад. Тогда существование терагерцовых волн еще не было доказано, они не были зарегистрированы, хотя было ясно, что свет и радиоволны – явления одной природы.
Так вот, в 1922 году в журнале Nature наша соотечественница, выпускница нашего физико-математического факультета Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева опубликовала статью о том, что пропуская через смесь металлических опилок с вязким маслом электрические искры, она получила электромагнитные волны от нескольких сантиметров до 82 микрон. Так ей удалось открыть радиоволны, длина которых была близка к длине тепловых инфракрасных волн.Это важное открытие доказало единство световых и радиоволн. До этого Александра Андреевна работала учительницей в селе Товарково Тульской области, а потом на кафедре физики МВЖК, после чего в Московском университете.
Так случилось, что мы сейчас занимаемся именно терагерцовыми волнами. Их чувствительный прием позволяет изучать просторы дальнего космоса. Если смотреть в лучах видимого диапазона, то далеко не увидишь, везде натыкаешься на пылевые облака, которые застилают все, что за ними находится. В случае с радиоволнами ситуация похожая: только там не пыль, а реликтовое излучение, которое возникло в начале образования Вселенной, при Большом взрыве. Тогда возникли электромагнитные волны, которые «постарели» за миллиарды лет и сейчас находятся в радиодиапазоне. А вот между светом и радиоволнами находится терагерцовое излучение. Мы создаем технологии инструментов для исследования этих волн, пришедших к нам из космоса.
Именно в этом диапазоне можно определять состав молекул газа, из которого образуются звезды. И по наличию определенных газов в составе атмосфер планет мы можем косвенно судить о возможности существования там жизни.
Еще мы участвуем в европейском проекте SWIJUICE (JUpiter ICy moons Explorer) – это проект по подготовке аппарата с приборами, который будет спущен на один из спутников Юпитера. Некоторые спутники Юпитера покрыты льдом, под которым, по предположениям ученых, находится океан, нагреваемый внутренним теплом спутника. И в этом океане возможна жизнь. Так вот спускаемый аппарат, который сядет на спутник Юпитера, будет оснащен прибором, который в терагерцовом диапазоне изучит пары океана, выделяемые сквозь трещины льда. И мы узнаем, есть ли там газы и органические молекулы, свидетельствующие о наличии жизни. Планируется, что аппарат будет запущен в 2022 году и сядет на один из спутников Юпитера в 2030 году.
Вы говорили о том, что исследования волн терагерцового диапазона можно применить в медицине?
Да, мы работаем вместе с Институтом глазных болезней им. Гельмгольца и разрабатываем метод сверхточного определения содержания свободной и связанной воды в глазу. При близорукости по количеству этой воды медики смогут определять, можно ли делать операцию на роговице, и насколько та повредится во время операции. Мы пока не знаем, является ли количество связанной воды причиной быстрого развития близорукости. И мы можем стать первыми, кто это узнает.
Есть также такое заболевание глаз как кератоконус: при нем роговица истончается и принимает коническую форму. Он может привести к серьезному ухудшению зрения. Так вот в этом случае тоже большую роль играет количество связанной воды внутри глаза, которую в будущем можно будет исследовать ее с помощью терагерцовых волн. И, конечно, синдром сухого глаза – здесь тоже количество связанной воды важно.
МПГУ выиграл мега-грант на создание новой лаборатории. Что это за лаборатория?
Речь о лаборатории квантовых детекторов, которой руководит голландский профессор Мартиен Теунис Клапвик. Он вместе с аспирантами и сотрудниками ведет фундаментальные исследования и в качестве результатов своей работы публикует статьи в ведущих международных журналах.
Квантовые детекторы не так давно стали использовать для защиты данных в системах связи, а когда вы ими занялись?
Первые наши теоретические и экспериментальные публикации вышли в 2001 году. Правда, до этого был еще патент. Это передовая продукция, которую мы производим сами уже 10 лет. До того мы изучали рынок, получали на нем имя, еще ничего не продавая, – была длительная подготовка к запуску производства. Потом я предложил своим студентам и сотрудникам поучаствовать в организации компании, стать акционерами, и нашлись десять человек, которые вложили свои личные средства – и это при том, какие были зарплаты в вузе в 2005-2006 гг. – сейчас-то они стали намного приличнее. Теперь эти люди работают в нашей компании, один из них, К. В. Смирнов стал профессором за это время. Должен заметить, что до этого трудоустройство лучших выпускников ИФТИС было только за рубежом. А теперь у них есть возможность работать в России.
То есть, у вас есть высокотехнологичное производство?
Да. В компании мы делаем целиком весь прибор, который поставляем научным организациям и университетам во всем мире. Мировой рынок научного приборостроения в несколько раз больше рынка вооружений. Это, как правило, дорогостоящая техника: стоимость одного прибора варьирует от 30 до 100 тысяч долларов. Прибор всегда делается индивидуально под конкретного потребителя.
А вы сами, лаборатория, постоянно закупаете новое оборудование?
Оборудование, на котором мы работаем, стоит еще дороже, чем детекторы, которые мы производим. Оно покупается на гранты, но есть и подаренное – скажем, компания IBM как-то подарила мне электронный микроскоп с самовывозом из Нью-Йорка. Они вообще-то регулярно меняют оборудование и дарят его университетам.
Какие еще исследования вы ведете?
Например, совместно с профессором Йельского университета Хонг Тангом (Hong Tang) и постдоком Вольфрамом Пернисом (Wolfram Pernice), последний затем переехал в Германию и получил профессорскую позицию в городе Карлсруэ, уже три года мы ведем исследования на тему оптических чипов, на которых происходят события с частицами света фотонами: излучение, фиксация и регистрация фотонов. У нас есть детектор, который годится для оптического чипа, в дальнейшем предназначенного для квантовых вычислений и обработки информации. Есть ряд задач, слишком сложных для классических компьютеров, но доступных для оптических квантовых компьютеров. Это пока небольшое количество типов задач.
Какие научные исследования, на ваш взгляд, являются сейчас самыми перспективными?
На переднем крае науки сейчас находится направление, основанное на сверхпроводимости. Работа с квантовыми битами информации, этими ячейками, находится впереди, и мы тут не сможем быть первыми. А вообще квантовые компьютеры уже существуют, их, например, продает канадская компания D-Wave Systems. Оптические же квантовые компьютеры может быть, никто и не создаст, но работы с оптическими чипами все же находятся на переднем крае науки.
Сейчас на кафедре общей и экспериментальной физики ИФТИС запускается программа «Фундаментальная физика на английском языке». Какое отношение ваша кафедра и лаборатория будет к ней иметь?
Наши преподаватели будут вести занятия на английском языке. Со Смитсонианской обсерваторией Гарвардского университета мы сотрудничаем уже 25 лет. Наши аспиранты ездят туда на программу Pre-doc, это трехлетняя программа для аспирантов, по окончании которой они возвращаются сюда работать. За 12 лет половина наших выпускников этой программы в итоге работают здесь. И они тоже могут преподавать на английском языке.
У ученых очень интересная работа: по выражению академика Льва Арцимовича «удовлетворение собственного любопытства за государственный счет». А самое главное если вы делаете то, что вы любите, то вам никогда не придется работать.
