В 2018–2019 годах Григорий Бобков прославился победами на всероссийских и международных олимпиадах по физике. Сейчас, проведя всего полгода в аспирантуре, он успел не только получить грант РНФ, но и закончить работу над кандидатской диссертацией. Корреспонденту журнала «За науку» Григорий рассказал о руководстве грантовым проектом, будущем сверхпроводящей электроники и призвании ученого.
Фото: Анастасия Каплина
«За науку»: В прошлом году предложенный вами исследовательский проект выиграл грант от Российского научного фонда. Расскажите, что это за исследование?
Григорий Бобков: Наша научная группа в составе трех человек ー меня, специалиста по методу теории функционала плотности Игоря Анатольевича Швеца и студента МФТИ, который пожелал остаться неназванным,ー будет заниматься исследованием сверхпроводящих мисфитных соединений. Это атомарно слоистые материалы, состоящие из чередующихся слоев с различными кристаллическими решетками,ー как бутерброды. В нашем центре удалось синтезировать такие соединения, они состоят из чередующихся слоев NbSe2 и (Bi/Pb)Se2. Мы вместе с коллегами будем изучать сверхпроводящие свойства как отдельных мисфитных соединений, так и их комбинаций с другими материалами. Такие материалы перспективны с точки зрения приложений, так как они эффективно двумерные, то есть каждый слой живет независимо. И их свойства, в том числе сверхпроводящие, могут аккуратно регулироваться путем изменения состава, в отличие от обычных материалов, ряд свойств которых не настраивается никаким возможным изменением состава.
«ЗН»: Вы получили грант РНФ, будучи аспирантом первого курса. Как вам это удалось?
ГБ: Во-первых, конечно, нам повезло: конкуренция очень высокая, на такие гранты серьезный конкурс. Во-вторых, конкретно на этот конкурс нет требования по ученой степени. У меня ее пока нет, зато по публикационной активности у меня все отлично: кажется, 18 опубликованных работ. Это дает некоторое преимущество. В-третьих, в нашем центре успешно синтезируются такие материалы, что повышает вероятность интегрировать исследования в практическую область.
«ЗН»: Ученой степени у вас пока нет, но вы уже готовы защитить кандидатскую диссертацию, хотя всего несколько месяцев учитесь в аспирантуре.
ГБ: Да, именно так, она готова. Уже документы в совет поданы.
«ЗН»: Как за такой короткий срок вы достигли результата, на который обычно требуется несколько лет?
ГБ: Ну не обязательно же для кандидатской диссертации работать именно в аспирантуре. Я начал работу буквально с первого или со второго курса бакалавриата. Бóльшая часть того, что используется в кандидатской диссертации, к моменту окончания магистратуры была уже завершена. Так что сейчас я уже двигаюсь дальше, а по тем результатам могу сразу же выходить на защиту.
«ЗН»: Чему посвящена ваша диссертация?
ГБ: В рамках диссертации я занимаюсь исследованием взаимодействия сверхпроводящих и антиферромагнитных материалов. Если вдаваться в историю, то первые структуры со сверхпроводящими материалами стали изучаться с первой трети XX века. К 1960-м годам люди поняли, что при контакте с магнитными материалами спектр сверхпроводящих свойств резко обогащается ー можно получить гораздо больше полезных эффектов.
Например, современные квантовые вычисления базируются как раз на таких сверхпроводящих структурах. В том числе применяются и гетероструктуры с ферромагнитными материалами, то есть однородно намагниченными. Из магнитных они самые простые, с ними проще всего работать, но они уступают по ряду параметров материалам с более сложным магнитным упорядочением.
Моя диссертация как раз показывает преимущества антиферромагнитных структур, у которых магнитные моменты отдельных атомов противоположно направлены друг к другу ー как бы в шахматном порядке. Если говорить о преимуществах, то прежде всего частота магнитной динамики у таких структур на несколько порядков больше, а значит, тактовые частоты у приборов, собранных из антиферромагнитных материалов, будет гораздо выше. Обычные компьютеры, например, ограничены гигагерцовым диапазоном: они могут производить 109–1010 операций в секунду. Это ограничение определяется частотами, в которых могут оперировать ферромагнитные материалы. При использовании антиферромагнитных структур предел можно повысить на несколько порядков.
На самом деле, это очень неожиданный результат, в том смысле что еще в конце прошлого века от идеи сочетать антиферромагнетики со сверхпроводящими материалами отказались, аргументировав это тем, что в такой системе отсутствует полная намагниченность. Но мы теоретически показали, что это не совсем так. При хаотическом распределении магнитных моментов действительно ничего бы не было. Но так как в случае антиферромагнетиков речь идет о строго периодической структуре, то возникает вполне себе успешное влияние антиферромагнетизма на сверхпроводимость. И в моей диссертации рассматриваются самые разные проявления такого влияния.
«ЗН»: Когда вы определились с выбором темы исследования и что повлияло на выбор?
ГБ: Во-первых, надо оговориться, что я занимаюсь одновременно несколькими разными тематиками, и моя кандидатская диссертация посвящена только одной из них. Физикой твердого тела и сверхпроводимостью я стал интересоваться с конца школы и начала института. Не в последнюю очередь на это повлияло то, что у меня родители занимаются той же самой деятельностью.
«ЗН»: Сколько поколений в вашей семье уже связано с МФТИ?
ГБ: Два, только родители и я.
«ЗН»: А ваши бабушки и дедушки?
ГБ: У них разные профессии: инженер, врач, специалист на АЭС.
«ЗН»: А можете рассказать про другие ваши исследования, которыми вы занимались параллельно с работой над диссертацией?
ГБ: Есть большая тематика, посвященная так называемым джозефсоновским контактам с аномальным сдвигом фаз. Немного расскажу, что это такое. Джозефсоновский контакт — это сверхпроводящая система, в которой есть не сверхпроводящая область. Тем не менее через эту область все равно может течь ток без потери энергии, если «щель» между сверхпроводящими половинками достаточно узкая.
Это явление было предсказано Брайаном Джозефсоном еще в 1962 году. Практически в неизменном виде его описание сейчас используется в различных прикладных вещах. В частности, джозефсоновский контакт служит основой для сверхпроводящих кубитов. Но у идеи Джозефсона есть дальнейшее обобщение, и начиная с конца XX — начала XXI века исследователи стали думать над тем, как из этих контактов можно получить более интересные структуры с бóльшим спектром возможностей. Например, что будет, если в качестве такой прослойки, которая разделяет сверхпроводящие берега, использовать магнитные материалы?
При использовании ферромагнетиков между двумя сверхпроводниками получаются так называемые джозефсоновские π-контакты, в которых при той же разности сверхпроводящих фаз ток течет в противоположную сторону. А если добавить в систему спин-орбитальное взаимодействие, например напылить на ферромагнетик тяжелый металл, получится джозефсоновский контакт с аномальным сдвигом фазы или φ₀-контакт: ток не просто меняет знак, а происходит смещение на любую регулируемую произвольную фазу.
Устройства, работающие на этом принципе, открывают гораздо больший спектр возможностей для сверхпроводящей электроники, но до последнего времени успешных экспериментальных реализаций практически не было. Разве что такие управляемые контакты удавалось создавать с помощью внешнего магнитного поля, а это очень неудобно, потому что поле действует сразу на всю систему, а не на отдельный ее элемент. Чтобы заставить работать один маленький переключатель на микрочипе, нужно поместить в магнитное поле всю вычислительную схему, а это весьма неэффективно.
И только в 2025 году появилась первая (и пока вроде бы единственная) экспериментальная работа, в которой действительно удалось реализовать φ₀-контакт именно с магнитными материалами.
«ЗН»: Чем занимаетесь вы в рамках этой исследовательской области?
ГБ: Моя деятельность сводится к теоретическому предсказанию. В том числе, основываясь на характеристиках конкретных материалов с использованием первопринципных расчетов, я прогнозирую, где может возникать φ₀-контакт. И другая моя задача состоит в том, чтобы предсказать, что можно получить из систем таких контактов, какое у них коллективное поведение, то есть как их можно было бы использовать и зачем они могут пригодиться.
Также, раз я заговорил про первопринципные расчеты, упомяну еще одну довольно широкую область — использование метода теории функционала плотности. Это исследования на границе между квантовой химией и физикой: предсказание конкретных свойств реальных материалов, а не моделей, расчет электронных, атомарных и прочего рода структур. Дело в том, что практически все исследования в области сверхпроводящих структур проводились с модельными системами, без учета особенностей конкретных материалов. При этом были отдельные специалисты, занимающиеся расчетом конкретных свойств реальных материалов. И эти две области очень мало соприкасались. И вот этот разрыв мы активно заполняем.
Фото: Анастасия Каплина
«ЗН»: Вы упомянули, что во многом на вас повлияло то, что ваши родители — физики. Влияли ли они целенаправленно на ваш выбор профессии?
ГБ: Разумеется, они повлияли, но это было очень давно. С детства, примерно с пятого класса они учили меня сначала математике, а потом физике, поэтому, разумеется, в первую очередь они определили мой выбор.
«ЗН»: Если бы вы не стали физиком, какую профессию вы хотели бы выбрать?
ГБ: Не знаю, я на эту тему не думал. Я занимался физикой практически всю сознательную жизнь — выбор давно был сделан.
«ЗН»: Пока учились в школе, вам все предметы давались одинаково легко? У вас было какое-нибудь слабое место?
ГБ: Не было слабого места. Школа плыла сбоку — спокойно, без напряжения. На школьном уровне все настолько простое, что ничего не вызывало затруднений. С другой стороны, если я занимаюсь физикой, это не значит, что от всего остального я безумно далек. Например, мне нравится история, я неплохо в ней разбираюсь. Вообще, школа была не главной частью жизни, потому что я занимался олимпиадами по физике.
«ЗН»: В 2017 году вы победили на международной естественнонаучной олимпиаде юниоров, а в 2019-м заняли первое место на Азиатской олимпиаде. Что для вас значили эти победы и что вас мотивировало на участие?
ГБ: Если вся твоя жизнь состоит из физики, то мотивации как таковой не требуется. Это вполне интересное занятие, развивающее и достаточно сложное.
«ЗН»: В интервью для «Коммерсанта» (18.12.2017) руководитель лаборатории по работе с одаренными детьми МФТИ Валерий Слободянин говорит о вас: «С олимпиадными задачами Грише было несложно справиться, настоящей трудностью для него стало повышенное внимание после победы». В чем проявлялось это повышенное внимание и как вы приспосабливались к нему?
ГБ: Проявлялось в том же, в чем и сейчас: в таких же интервью. И приспосабливался я тоже очень просто: когда не было политической необходимости принимать в этом участие, я от интервью отказывался.
«ЗН»: Стало ли для вас проще со временем находиться в центре внимания?
ГБ: По окончании олимпиад, к счастью, я из центра внимания практически выпал, что меня полностью устраивает.
«ЗН»: Чем вы планируете заниматься дальше?
ГБ: Тем же самым. Я полностью доволен работой в МФТИ, в Центре мезофизики и нанотехнологий, у нас отличная команда.
«ЗН»: Помимо научной работы вам также придется заниматься преподаванием?
ГБ: Я уже преподаю. Наукой заниматься мне нравится больше, но и преподавание тоже вполне интересное. Это в каком-то смысле необходимость, потому что новые кадры нужно готовить и не так много людей, которые способны их учить.
«ЗН»: Как вы справляетесь с преподаванием?
ГБ: Ну вроде бы пока никто не жаловался, всех устраивает.
«ЗН»: А вы сами как себя ощущаете? Преподавание предполагает общение с людьми…
ГБ: Во-первых, это общение по профессии — к такому я отношусь гораздо спокойнее. А во-вторых, опять же, я преподаю только на старших курсах, где учатся мотивированные и уже практически оформленные специалисты, а не, скажем так, все кто попало. В каком-то смысле они уже являются коллегами.
«ЗН»: Вы находите время на занятия помимо научной работы? Как вы проводите время вне лаборатории?
ГБ: Вне лаборатории я просто отдыхаю. Могу гулять, могу спортом заниматься, могу книги читать. Я не сказал бы, что у меня есть как таковой досуг. У хорошего ученого наука занимает практически всю жизнь.
