Метаматериалы — одно из самых перспективных и обсуждаемых направлений в современной науке. Эти искусственно созданные структуры открывают новые горизонты для телекоммуникаций, медицины и даже для исследования тайн Вселенной, таких как темная материя. О том, как метаматериалы меняют научную и технологическую картину мира, рассказывает один из ведущих специалистов в этой области в России и мире Павел Александрович Белов, профессор, доктор физико-математических наук, директор физико-технического мегафакультета Университета ИТМО (г. Санкт-Петербург).
Павел Белов, директор физико-технического мегафакультета Университета ИТМО. Фото: Павел Кирильцев
«Удалось обнаружить то, что было у всех перед глазами»
— Вы родились в Иркутске, но как получилось, что вы оказались в Ленинграде, да еще в такой престижной математической школе? Именно с нее начался ваш путь в науку? И почему вы выбрали ИТМО?
— На самом деле, я не коренной иркутянин: мои родители переехали туда из Санкт-Петербурга на строительство целлюлозно-бумажного комбината. Позже мы вернулись в Петербург, где я вырос. В школу 168 я попал с трудом, но все же поступил в физмат. Что касается ИТМО, туда я попал после забавной истории: в тот момент меня уже брали в несколько ведущих университетов — МГУ, СПбГУ, МФТИ, а вот в ИТМО предстояло пройти дополнительные испытания, включая олимпиаду. Но именно это привлекло меня — сложность и конкурентная среда. И, честно говоря, я ни разу не пожалел о своем выборе.
— В ИТМО вы поначалу занимались прикладными вопросами компьютерных технологий. Как вы перешли в академическую науку?
— Этот переход случился неожиданно. На тот момент в ИТМО не хватало научных руководителей на новой кафедре, и меня направили к Константину Руфовичу Симовскому (профессор Университета ИТМО и Университета Аалто. — ред.) с кафедры физики. Он оказал на меня огромное влияние: его страсть к науке буквально заразила меня. Он предложил мне уникальную возможность: работать над диссертацией сразу в двух странах, на тот момент он уже сам работал в Финляндии. Так я защитил кандидатскую в России по оптике, а в Финляндии — по радиофизике.
Что меня особенно поразило в финской системе, это отношение к аспирантам. Там аспирант не просто учится, как у нас, а считается полноценным сотрудником, работающим на равных в научном коллективе. Я ездил на работу каждую неделю: в понедельник отправлялся из Петербурга в Хельсинки, а в пятницу возвращался. Это была полноценная работа, за которую платили хорошую зарплату. Я многому научился за три года в Финляндии, особенно в плане академической дисциплины и подхода к исследовательской работе.
— Кроме академической среды, вам довелось поработать и в реальном секторе. Как опыт работы в таких компаниях, как Nokia и Samsung, влияет на ученых и их подход к исследованиям?
— Это отличный опыт, который возвращает нас, «академиков», на землю. Я всегда рекомендую студентам, даже тем, кто планирует остаться в академической науке, попробовать поработать в индустрии. Там совершенно другой мир с иным набором приоритетов. В академической среде результаты нужны для личного удовлетворения, для публикации в научных журналах, для продвижения своей карьеры. В индустрии, напротив, каждый шаг направлен на создание продукта, на решение конкретной задачи, которая должна приносить деньги.
Мой опыт в Nokia, Samsung и Porsche кардинально изменил мой подход к науке. Например, в Nokia мы занимались исследованиями в более ранней стадии разработки, это было ближе к академической науке. Мы пытались внедрить новые идеи в конструкции антенн, основанные на наших исследованиях высокоимпедансных поверхностей ( Электрический импеданс — это мера того, насколько сильно цепь сопротивляется переменному току, включая как обычное сопротивление, так и влияние емкости и индуктивности. Если у материала высокий электрический импеданс, это позволяет ему эффективно отражать, поглощать или изменять направление электромагнитных волн. — ред.). Это были более фундаментальные задачи, и результат не был обязательным.
В Samsung и Porsche все было по-другому: там задачи ставились конкретно для решения производственных проблем, и разработка была направлена на создание конечного продукта. В результате я стал по-другому смотреть на свои исследования: задавать вопрос, куда это можно применить, как это повлияет на реальный сектор, какой продукт в итоге получится. Если ответа на эти вопросы нет, лучше не тратить на это силы.
— Многие считают, что наука и бизнес будто бы противоречат друг другу. Ведь наука ищет истину, а бизнес ориентируется на прибыль. Как вы справляетесь с этим конфликтом?
— Я бы не назвал это конфликтом, скорее это завышенные ожидания от науки. В реальном секторе часто ждут, что наука быстро даст конкретные результаты, которые можно будет сразу применить в бизнесе. Но статистика говорит об обратном: от фундаментальной разработки до готового продукта проходит 10–15 лет. Это долгий путь, на котором есть много этапов — исследования, проверки, доработки, тесты. Но бизнес хочет видеть результат уже в первые годы работы.
Это непонимание часто приводит к разочарованию, но я уверен, что наука и бизнес должны работать вместе. В начале — фундаментальная наука, затем инженеры подключаются, чтобы создать прототипы, а уже на поздних этапах — готовые продукты. Это нормальный процесс, и люди, работающие в науке, знают, что от идеи до продукта проходят годы, а иногда и десятилетия.
— У каждого ученого есть та самая первая статья, в которой он рассказал о каком-то важном результате, и все начинают на нее ссылаться. О чем была ваша «та самая» статья? Какое у вас было ощущение, когда вы поняли, что это важная работа?
— Моей первой действительно важной работой была теоретическая статья, в которой я обнаружил эффект сильной пространственной дисперсии в метаматериалах — структуре из проводов, которая исследовалась учеными десятилетиями, но этот эффект оставался незамеченным. Эта статья стала самой цитируемой на протяжении 15–20 лет. Это было настоящее открытие — неожиданное и значительное. Я был удивлен, что этот эффект никто не видел раньше, хотя структура уже давно была известна.
Павел Белов, директор физико-технического мегафакультета Университета ИТМО. Фото: Павел Кирильцев
Эта работа была международной — в соавторах были коллеги из Португалии, Финляндии, Франции, России и Испании. То, что мы нашли теоретически, впоследствии стало основой для множества исследований и разработок. То, что мы обнаружили, значительно превосходит возможности традиционных оптических систем, и это открывает совершенно новые перспективы для телекоммуникаций и обработки данных. Мы смогли добиться таких результатов, создавая материалы с уникальными электромагнитными свойствами, не встречающимися в природе. Это может привести к революции в проектировании оптических и микроволновых устройств.
Некоторое говорят с иронией, дескать, опять Белов очередную статью про свой эффект пишет. Но я вижу перспективы его использования в исследованиях метаматериалов, нанофотоники, разработке управляемых метаповерхностей для беспроводных технологий, 5G, систем связи следующего поколения. Это уже дает важный результат в развитии медицинских технологий. Например, мы совместно с корпорацией «Росатом» делаем очень хороший МРТ с использованием метаповерхностей.
«Метаматериалы сейчас на стадии, на которой были компьютерные технологии в середине XX века»
— Как вы оцениваете российскую ситуацию в области метаматериалов?
— Россия имеет богатую историю в области метаматериалов. Одним из родоначальников направления считается наш ученый Виктор Георгиевич Веселаго. Его работы 1968 года по материалам с отрицательным коэффициентом преломления заложили основу для развития этой области. Его идеи долго не получали должной поддержки в нашей стране, но теперь его вклад признан на мировом уровне. В СССР также велось много исследований в этой области, однако тогдашние технологии не позволяли реализовать теоретические идеи. Сегодня ситуация изменилась — у нас есть необходимые технологии для создания метаматериалов, и российская школа в этой области очень сильна.
В последние годы мы получили значительные гранты, в том числе несколько мегагрантов, которые позволили укрепить ведущие научные группы. Эти коллективы активно занимаются разработками. Однако наука не стоит на месте — метаматериалы эволюционируют. Многие команды, которые начинали исследования 10–15 лет назад, перешли к новым направлениям, используя накопленный опыт. Например, сейчас многие исследователи разрабатывают материалы с новыми свойствами, не применяя термин «метаматериалы», но по сути работающие с теми же принципами.
— Какие современные технологии вдохновляют вас в контексте метаматериалов?
— Сейчас на рынке множество спекуляций, обещаний, вроде обещаний «невидимости», но мы трезво смотрим на нынешнюю ситуацию. Если проводить аналогии, то метаматериалы сейчас еще пока что на той стадии, на которой были компьютеры в 60-е годы прошлого века: да, на определенном этапе они были дороги и не присутствовали на рынке массово, имели ограниченное применение, но прошло время, и все изменилось. Полагаю, что и метаматериалы ждет такое же будущее, контуры которого видны уже сейчас.
Например, улучшение технологий МРТ (магнито-резонансной томографии). Казалось бы, эта область исчерпала возможности для улучшения: используются мощные компьютеры, магниты, лучшие технологии оцифровки и шумоподавления. Однако применение метаматериалов позволило разработать более эффективные приемные антенны, которые улавливают меньше шума и больше полезного сигнала. Это сильно улучшает качество изображений и одновременно делает МРТ дешевле.
Также интересное направление — беспроводная передача энергии. В прошлом году мы создали комнату, в которой можно заряжать любые устройства в любом месте, просто находясь в помещении. Нам даже удалось сделать целую комнату, в которую можно просто зайти, и все устройства начнут заряжаться. Эта технология работает благодаря метаатомам (метаатом — это «строительный блок», микроскопическая система для производства метаматериалов. — ред.), которые разрабатывались в рамках исследований по метаматериалам.
— Тяжелый, но необходимый вопрос: как изменились международные связи в науке с учетом событий последних лет?
— Несмотря на изменения в международной политической ситуации, наука остается глобальной. В нашем коллективе мы всегда придерживались идеи, что наука не имеет границ, и многие наши зарубежные коллеги разделяют эту точку зрения. Мы продолжаем работать с учеными из разных стран, которые отделяют науку от политики. Много научных журналов и конференций поддерживают этот подход, благодаря чему мы остаемся интегрированными в мировое научное сообщество.
Павел Белов, директор физико-технического мегафакультета Университета ИТМО. Фото: Павел Кирильцев
Конечно, работать стало сложнее, и доступ к международным грантам и обменам затруднен, но при этом мы продолжаем обмениваться идеями, данными и результатами с нашими коллегами за рубежом. Важно сохранять фокус на научных вопросах, откладывая в сторону политические разногласия.
«Будущее — в сочетании ИТ и технических специальностей»”
— Есть ли новые радикальные направления использования метаматериалов, которые могут появиться в будущем?
— Телекоммуникации и связанные с ними технологии развиваются стремительно, и метаматериалы находят там широкое применение. Например, метаматериалы применяются в антенных системах, фотонных и оптических технологиях. Однако есть и неожиданные направления. Например, в установках мегасайнс для поиска темной материи сейчас применяются резонаторы на основе метаматериалов. Другие технологии не позволяют создать необходимые условия для поиска частиц темной материи, таких как аксионы. Это направление может привести к огромным открытиям.
Темная материя составляет около 40% Вселенной, но мы до сих пор не знаем, из чего она состоит. Если удастся идентифицировать частицы темной материи, это может привести к настоящей революции в науке. Мы сможем лучше понять структуру Вселенной и, возможно, найти способы использования энергии темной материи.
— Как наука влияет на технологические разработки и есть ли здесь связь с метаматериалами?
— Наука всегда была основой для технологических прорывов. Многие современные технологии, такие как электричество, появились благодаря фундаментальным исследованиям. Ученые, которые работали с электромагнитными волнами, не могли предположить, насколько широко они будут применяться сегодня. То же самое может произойти и с метаматериалами.
Сейчас мы можем не только исследовать природные материалы, но и проектировать новые. Например, мы создаем так называемые квазинатуральные материалы — их не существует в природе, но они обладают уникальными свойствами. Один из таких материалов — графен, который стал настоящей революцией в области электроники. В этом направлении мы можем ожидать появления новых материалов, которые станут основой для будущих технологических прорывов.
Павел Белов, директор физико-технического мегафакультета Университета ИТМО. Фото: Павел Кирильцев
— Какие советы вы можете дать студентам или школьникам, которые хотят заниматься наукой в области метаматериалов?
— Я бы посоветовал молодым людям не ограничиваться только IT-направлениями, хотя это сейчас очень популярно. IT-специальности, безусловно, важны и полезны, но в мире еще есть множество интересных технических направлений, таких как физика, химия и инженерия. Например, без инженеров не было бы литий-ионных батарей или современных процессоров.
Советую обратить внимание на сочетание IT и технических специальностей. Современная инженерия и наука используют IT-технологии, такие как численное моделирование и искусственный интеллект. Специалисты, которые смогут грамотно применять эти инструменты, будут создавать будущее— от космических технологий до наноразработок. Не стоит забывать о техническом образовании — оно открывает огромные возможности для инноваций.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 (и всемерной поддержке Физтех-Союза).
