Университет Вестлэйк
Что общего между светом и жидкостью, а также кто и зачем тратит деньги на фундаментальную науку? Об этом мы поговорили с Алексеем Кавокиным, директором Международного центра поляритоники университета Вестлейк в Китае, профессором университета Саутгемптона в Великобритании, руководителем лаборатории Оптики спина в Петербургском государственном университете и руководителем группы Квантовой поляритоники в Российском квантовом центре.
Команда Алексея Кавокина занимается физикой жидкого света — попадая в полупроводниковый кристалл, свет преображается и начинает вести себя, как жидкость: собираться в капельки, течь медленно или вовсе останавливаться, формировать «водовороты». Жидким светом можно управлять при помощи внешних полей, он протекает по капиллярам, выходит наружу и снова становится обычным светом.
[columns size=»1/2″ last=»false»]
Для справки
Существует три типа кристаллов: металлы, диэлектрики и полупроводники. Металлы проводят электрический ток, диэлектрики — изоляторы, полупроводники иногда проводят, а иногда нет. Они ближе к диэлектрикам, потому что в них есть запрещенная зона, отделяющая энергетические уровни, заполненные электронами, и пустые уровни. Из-за взаимодействия между атомами решетки кристалла отдельные уровни уширяются, образуя энергетические зоны.
[/columns]
[columns size=»1/2″ last=»true»]Чтобы перейти в зону, в которой он сможет распространяться, электрон должен получить энергию извне, например, от света. Электрон попадает в пустую зону — зону проводимости, а на том месте, где он был, образуется дырка — положительно заряженная квазичастица. Электрон притягивается к дырке, и образуется экситон — что-то вроде атома водорода, но внутри кристалла и размером в сто раз больше. В отличие от атома водорода, экситон может исчезнуть: электрон спокойно спускается на свое старое место, рекомбинирует с дыркой — и экситона больше нет. В процессе рекомбинации излучается квант света, который может снова поглотиться, создать новый экситон, и все повторится.[/columns]
Получается цепочка состояний света и материи, которые образуют единое смешанное квантово-механическое состояние. Такое состояние обладает свойствами как света, так и вещества. Соответствующая ему квазичастица в кристалле называется экситонным поляритоном. Это и есть квант жидкого света. Вместо фотона, который распространяется в вакууме, внутри полупроводникового кристалла возникает наполовину фотон, наполовину экситон — то ли свет, то ли материальная частица.
Так же, как световые волны, поляритоны характеризуются длиной волны, но, в отличие от чистого света, могут взаимодействовать друг с другом за счет своей материальной компоненты. Два фотона столкнутся и сквозь друг друга пройдут, не заметив, а поляритоны из-за того, что в них есть материальная компонента, столкнутся и разлетятся, как два бильярдных шара. Взаимодействие между ними приводит к тому, что они могут формировать капли, у них есть вязкость — а это свойство жидкости.
Сообщество экспатов. Источник: icp.westlake.edu.cn
60 лет в трех абзацах
В середине прошлого века Владимир Агранович и Джон Хопфилд предсказали сильную связь света с веществом и возникновение поляритонов. Затем последовали экспериментальные работы, в ходе которых находили черты поляритонов в разных соединениях. Но это была чисто академическая задача, которой занимались несколько лабораторий во всем мире.
В 1992 году в Токио французский ученый Клод Вайсбуш поставил эксперимент вместе с японцем Ясухико Аракавой, в котором впервые показал режим сильной связи света с веществом в микрорезонаторе. Нахождение режима сильной связи вызвало большой интерес, потому что получается гибрид — состояние, которое не является ни светом, ни веществом, а представляет собой нечто среднее. Этим гибридом начали заниматься, и в 2005 году французский ученый вьетнамского происхождения Ли Си Данг в Гренобле получил экспериментальные доказательства наличия бозе-эйнштейновской конденсации экситонных поляритонов.
— Моя группа обеспечивала теоретическую поддержку этой работы, но Nature не брал наши результаты. Статью в итоге опубликовали в журнале Physical Review B. Редактор потребовал от нас изменить название статьи. Вместо «Бозе-эйнштейновская конденсация» мы были вынуждены написать «Неравновесная бозе-эйнштейновская конденсация». Через год на том же самом образце с теми же результатами, сделав дополнительные эксперименты в Политехнической школе Лозанны, группа Ли Си Данга опубликовалась в Nature. На этот раз им удалось отстоять термин «Бозе-эйнштейновская конденсация» без дисклеймера про неравновесность. И пошла лавина: эксперимент стали повторять по всему миру на разных материалах, и прогресс было уже не остановить. Два года спустя в Саутгемптоне группа Джереми Баумберга, в составе которой я отвечал за теоретические расчеты, показала это явление уже при комнатной температуре, что сделало его интересным для практического применения. В 2013 году Свен Хефлинг в Вюрцбурге сделал первый прибор, основанный на этом эффекте, — поляритонный лазер с электронной накачкой. Чем дальше, тем больше людей вовлекаются в эту область.
Куда приложить?
До конца XX века считалось, что бозе-эйнштейновская конденсация может наблюдаться лишь при экстремально низких температурах — около одной стомиллионной доли градуса Кельвина. За наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации холодных атомов даже дали Нобелевскую премию. Это явление примечательно тем, что все атомы находятся в одном квантовом состоянии, как если бы все автомобили на дороге ехали с одной скоростью, одновременно ускоряясь и замедляясь.
— Мы показали, что бозе-эйнштейновская конденсация наблюдается при комнатной температуре. Скачок от стомиллионной доли Кельвина до комнатной температуры произошел буквально за десять лет. Это колоссальный прорыв в фундаментальной физике конденсированного состояния. Когда он произошел, стали думать, как же его использовать. Есть много вариантов: можно делать лазеры с очень низким порогом излучения, можно делать классические логические элементы для оптического компьютера или интерфейса между оптоволоконными линиями связи и классическим полупроводниковым компьютером. Самое интересное применение, на мой взгляд, — это светоиндуцированная сверхпроводимость. Поскольку бозе-эйнштейновская конденсация и сверхпроводимость — это очень близкие явления, и если бозе-эйнштейновскую конденсацию удалось наблюдать при комнатной температуре, почему бы не попытаться наблюдать в гибридных структурах и сверхпроводимость при комнатной температуре?
Все лазеры, существовавшие до сих пор, основаны на усилении света за счет вынужденного излучения. На основе конденсированных поляритонов уже делают поляритонные лазеры, которые основаны на другом физическом принципе — в них нет вынужденного излучения света, свет излучается спонтанно, так же, как его излучает свеча или электрическая лампочка. Тем не менее спонтанно излученный свет обладает всеми свойствами лазерного излучения: когерентностью, монохроматичностью и поляризованностью. Дело в том, что излучает его конденсат — миллиард частиц, сидящих в одном квантовом состоянии, из которого они рекомбинируют, излучая фотоны. Эти фотоны получаются одинаковыми, поскольку начальное состояние у этого миллиарда частиц одинаковое.
— Первыми сделали поляритонный лазер, работающий при комнатной температуре, именно мы в университете Саутгемптона в 2007 году. По-моему, это самая цитируемая моя работа до сих пор. Такой лазер характеризуется гораздо более низким порогом энергии накачки, нежели привычный лазер, в котором необходимо тратить много энергии на поддержание инверсной заселенности энергетических уровней электронами.
[columns size=»1/2″ last=»false»]Второе применение — квантовый компьютер. Для квантовых вычислений сейчас используют сверхпроводящие кубиты, но они работают при температуре меньше одного градуса Кельвина, для поддержания которой нужны мощные и дорогостоящие криостаты. Открытие конденсации поляритонов дает возможность реализовать на основе полупроводников квантовый компьютер, который сможет работать при температуре, близкой к комнатной. Внедрение квантовых технологий на основе полупроводников, создание квантовых процессоров, работающих не в криостате, будут очень большим прорывом в компьютерной науке.[/columns]
[columns size=»1/2″ last=»true»]
Кстати
В поляритонном лазере порог есть, но он обусловлен преодолением потерь в структуре, поэтому может быть на несколько порядков ниже, чем в обычных лазерах. Это идеально подходит для условий, при которых нужен экономичный источник света, который может жить очень долго, например, в космосе. Такие лазеры еще не начали выпускаться промышленностью, их изготавливают в основном в лабораторных условиях, но это уже готовый прибор, который скоро завоюет свое место на рынке.
[/columns]
Команда Алексея Кавокина в Центре поляритоники. Источник: icp.westlake.edu.cn
Россия — Англия — Китай
— В 1993 году я защитил кандидатскую диссертацию в петербургском Физтехе и дослужился там до научного сотрудника. Научный сотрудник тогда получал три или четыре доллара в месяц. Я зарабатывал гораздо больше, потому что ездил на короткое время во Францию, в Германию. В 1997 году меня пригласили в Италию, и я там остался. Из Италии меня сразу позвали во Францию, где в том же году я получил постоянную профессорскую позицию. В 2005 году я стал профессором университета Саутгемптона в Англии. С этого времени до 2011 года я не работал в России, хотя приезжал часто. В 2011 году я получил мегагрант — $5 млн, на которые мы построили лабораторию Оптики спина имени Игоря Николаевича Уральцева в Петербургском государственном университете — теперь это наша главная экспериментальная база в России. В 2014 году я возглавил также небольшую теоретическую группу в Российском квантовом центре в Москве.
Сейчас в Китае в городе Ханчжоу строят Университет Вестлейк. Физическое направление в нем попало в руки самого известного китайского физика — по версии журнала Nature, он был одним из десяти самых влиятельных ученых мира 2017 года. Цзянь-Вэй Пан — это китайский «отец кванта», человек, который запустил квантовый спутник и сейчас устанавливает через него связь между Москвой и Пекином. Цзянь-Вэй Пан вышел на меня и предложил подать на позицию в этом университете. Поскольку я с 1998 года года работаю на постоянных профессорских позициях в ведущих западных университетах, для такого переезда я поставил массу условий.
Мне хотелось сделать то, чего я не могу сделать в Англии из-за отсутствия финансирования в достаточном количестве: построить большой научный центр, посвященный поляритонике — физике жидкого света. В этом центре будет и технологическая база, мы сами будем делать образцы — полупроводниковые структуры разного типа. Там будет мощная оптическая лаборатория, в которой мы будем делать все необходимые эксперименты, и будет теоретическая группа. На этот проект мне выделили 100 миллионов юаней, что составляет примерно 1 млрд рублей. Я занимаюсь созданием нового научного центра уже год. Помимо этого, в университете формируются другие центры, которые могут иметь отношение к квантовым технологиям или поляритонике, в результате вырастает большой кластер. Китай, вероятно, станет мировым лидером в этой области через несколько лет.
Отделка помещений Центра. Источник: icp.westlake.edu.cn
Работа в Китае — это интересный опыт в моей жизни. Китайская наука — великая наука. Там очень много хороших университетов, финансирование науки в Китае по объему превышает, мне кажется, финансирование науки в любой другой стране мира. Руководство китайских университетов активно заманивает назад китайских специалистов, которые работают или получили образование в США или Европе. Несколько лет назад было принято решение построить в Ханчжоу первый в стране частный университет, который в перспективе должен стать самым сильным университетом, ориентированным на естественные науки, в Азии и выйти на пятое-шестое место в мире.
В Китае мы принимаем иностранных аспирантов. У китайских аспирантов есть особенности в программе, которую они изучают. Они слушают курсы социализма с китайским уклоном на китайском языке. Нам обещают, что со следующего учебного года мы сможем принимать в аспирантуру иностранцев, поэтому скоро заинтересованным студентам со всего мира можно будет попытать счастье у нас в Китае. В аспирантуре все курсы читаются на английском. Есть конкурсные ставки постдоков и профессоров. Китай — отнюдь не страна третьего мира, которая к себе заманивает за бешеные деньги кого угодно. Это первый мир, все там дается с трудом, на каждую позицию претендует много квалифицированных китайцев. Чтобы вас взяли, вы должны доказать, что вы чем-то лучше. С другой стороны, позиции есть, финансирование есть, все будет расти и дальше.
Китайский опыт реинтеграции научной диаспоры мог бы очень пригодиться в России. Индивидуальный подход, создание постоянных позиций для приезжих ученых, помощь их семьям, организация международных научных центров и институтов — все это очень помогло бы развитию российской науки, укреплению ее позиций на мировой арене.
