При поддержке РНФ ученые исследуют невидимый диапазон.
Научный прогресс часто движется туда, где человеческие возможности упираются в предел: к самым слабым сигналам, невероятно низким температурам, мельчайшим структурам материи. В ФИЦ Институт прикладной физики им. А.В.Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) эти границы изучают уже полвека. Заканчивающийся в текущем году проект, поддержанный Российским научным фондом, «Разработка и исследование интегральных нанодетекторов на основе туннельных переходов для создания приемных систем субтерагерцового диапазона» (грант №23-79-00006) стал очередным шагом в создании сверхчувствительной аппаратуры, способной улавливать чрезвычайно слабые электромагнитные сигналы.
О том, как физики осваивают субтерагерцовый (субТГц) мир, зачем охлаждать детектор до температур, близких к абсолютному нулю, и что дают российской науке гранты РНФ, мы беседуем с руководителем проекта, доктором физико-математических наук Вячеславом ВДОВИНЫМ.
– Вячеслав Федорович, давайте начнем с главного: что именно вы создаете и для чего?
– Мы разрабатываем чрезвычайно чувствительные приемники электромагнитного излучения субтерагерцового диапазона частот. Они должны улавливать очень слабые сигналы, которые несут информацию о физических процессах в космосе и на Земле.
Испытания микроволнового радиометра. Склон Эльбруса, высота 4000 м. Фото Анны Плис, пресс-служба ЦКП «СКИФ»
Для ИПФ РАН эта тематика не новая. Работы по освоению субТГц-диапазона ведутся здесь практически с момента основания института.
В этом году у нас сразу две знаменательные даты: 50-летие института и 100-летие его основателя - академика Андрея Викторовича Гапонова-Грехова. Поэтому мне особенно приятно рассказать о нашем проекте именно сейчас. Он во многом продолжает научную традицию, заложенную основателями ИПФ РАН, и связан с моей собственной историей. В 1977 году два заместителя Андрея Викторовича пришли на распределение выпускников в мой Политех и пригласили нескольких, в том числе меня, во вновь создающийся академический институт. Я согласился, и моя дипломная работа, защищенная в 1978 году, была посвящена именно субТГц-приемникам. Так что я пришел в ИПФ РАН именно на развитие этой тематики и ни разу об этом не пожалел.
Удивительное свойство нашего направления заключается в том, что оно не стареет. Меняются технологии, появляются новые материалы и приборы, возникают задачи, о которых полвека назад можно было только мечтать, а интерес к освоению этого участка электромагнитного спектра неизменно растет.
– Что особенного в субтерагерцовом диапазоне? Чем он так привлекает исследователей и разработчиков, какие новые возможности сулит?
– СубТГц-излучение частотой от 100 до 1000 гигагерц (или 0,1-1,0 терагерц) располагается в малоосвоенной области электромагнитного спектра между радиочастотным и оптическим диапазонами. Многие молекулы имеют в этом диапазоне характерные спектральные линии поглощения и излучения, по которым можно получать сведения о составе и свойствах газов, молекулярных облаков, атмосферных процессов. Эти исследования «открывают окно» в холодную Вселенную - те ее области, которые не видны в обычном оптическом диапазоне.
Разработки, предлагаемые в рамках настоящего проекта, направлены на освоение космического пространства, они позволяют изучать межзвездный газ и пыль, наблюдать области рождения и гибели (черные дыры) звезд, следы Большого взрыва. Именно астрономия предъявляет к технике амбициозные требования. А затем оказывается, что решения, созданные ради фундаментальной науки, могут оказаться востребованными в самых разных областях.
– В ваших публикациях постоянно встречаются слова «криогеника», «вакуум», «субкельвинные температуры». Почему для создания приемника нужны настолько экстремальные условия?
– Главный враг при регистрации очень слабого сигнала - шум, в частности, тепловой. Его генерирует любое устройство при ненулевой температуре. Когда мы пытаемся зарегистрировать чрезвычайно слабое излучение, этот шум может заглушить полезный сигнал.
Один из основных способов повысить чувствительность - очень сильно охладить детектирующую наноструктуру, в том числе довести ее до сверхпроводящего состояния. Речь идет о температурах, близких к абсолютному нулю: минус 273,15 градуса Цельсия. В некоторых наших приемниках необходима температура ниже одного Кельвина.
Для такого охлаждения детектора необходим глубокий вакуум, что, в свою очередь, требует решения целого комплекса инженерных задач. Нужны холодильные машины, вакуумные системы, тепловые и механические интерфейсы, специальная электроника и оптические элементы. Физика, нанотехнологии, криогеника и конструирование здесь не существуют по отдельности.
Сам детектор очень мал, но для его полноценного функционирования требуется огромная инфраструктура. Важно не только разработать принципиально новый элемент, но и научиться использовать его в реальном приборе. Одно дело - получить интересный научный результат на лабораторном стенде, и совсем другое - превратить его в работоспособное устройство, которое можно установить в приемную систему телескопа, и мы имеем опыт создания аппаратуры, способной работать в полевых условиях и на антеннах.
– А что представляет собой сам детектор?
– В основе нашей разработки лежат наноструктуры с туннельными переходами, именуемые СИНИС-структурами. Это последовательность слоев: сверхпроводник - изолятор - нормальный металл - изолятор - сверхпроводник. Задача такой структуры - преобразовать слабое электромагнитное воздействие в сигнал, который можно зарегистрировать и измерить. Для этого необходимы материалы с особыми свойствами и очень точное управление геометрией и параметрами наноструктур.
В рамках проекта мы разработали и исследовали новые детектирующие элементы, способы их интеграции с антеннами, различные варианты поглотителей, матричные структуры, антенны нескольких типов и диапазонов частот от 0,15 до 0,35 ТГц.
Детектор сам по себе еще не является готовым приемником. Он должен быть правильно согласован с антенной, оптическим трактом, системой охлаждения и измерительной аппаратурой.
– Можно ли выполнить такую работу силами одного института?
– Конечно, нет. У ИПФ РАН есть необходимый набор компетенций и оборудования, но в полной мере они раскрылись именно благодаря сотрудничеству с партнерами - Институтом радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН (ИРЭ РАН) и Институтом физических проблем им. П.Л.Капицы РАН (ИФП РАН).
У каждого из участников своя уникальная специализация. ИРЭ РАН располагает мощной инфраструктурой и компетенциями в области нанотехнологий. ИФП РАН - это исключительно высокий уровень исследований и разработок в области глубокой криогеники, которые соответствуют мировому уровню, а в отдельных направлениях фактически определяют его.
Наше сотрудничество с этими коллективами имеет давнюю историю. Но одно дело - дружеское научное взаимодействие, когда специалисты обмениваются идеями и результатами. И совсем другое - полноценная кооперация с конкретными задачами, договорами и финансированием.
– То есть грант РНФ помог не просто привлечь партнеров, а сделать сотрудничество системным?
– Да. Формат гранта позволил объединить несколько научных коллективов, каждый из которых располагает уникальными возможностями, и направить их усилия на решение общей задачи. В рамках проекта мы получили возможность практически неограниченного использования уникальной научной установки «Криоинтеграл» ИРЭ РАН - объекта инфраструктуры, комплекса такого уровня в России больше нет. Вокруг него и собрана группа проектов РНФ, в том числе наш.
Грант помог нам существенно продвинуть компетенции в субкельвинной криогенике за счет участия ИФП РАН. Но на этом кооперация не закончилась. Благодаря предусмотренному проектом софинансированию мы совместно с Российским федеральным ядерным центром - ВНИИЭФ реализовали перспективный пилотный проект по радиационной физике криогенного состояния, в частности, провели на их установках серию исследований радиационной стойкости создаваемых нанодетекторов. Для аппаратуры, которая может использоваться в космических исследованиях, это чрезвычайно важная характеристика. Прибор должен не только обладать высокой чувствительностью, но и сохранять работоспособность в условиях воздействия радиации.
Таким образом, инфраструктурный грант предоставил нам шанс выйти на более широкую сеть взаимодействия. Это один из наиболее ценных результатов проекта.
– Кто непосредственно вовлечен в эту работу?
– Научный коллектив исполнителей проекта на 80-90% состоит из молодых исследователей. Конечно, команда не возникла за один день. Ее формирование началось значительно раньше, в том числе благодаря мегагранту 2010-2020 годов, последующим проектам РНФ и хозяйственным договорам, которые удалось получить в развитие уже созданного научного задела. К работе подключались студенты, аспиранты, молодые специалисты, постдоки. Кто-то вырос в самостоятельного исследователя, кто-то стал руководить отдельными направлениями. Сегодня в проекте в статусе основных исполнителей трудятся бывшие постдоки, которые уже сами привлекают своих студентов и аспирантов.
Нынешний грант позволил не просто сохранить эту команду, но и укрепить ее. Подготовить специалиста, способного самостоятельно решать сложные экспериментальные и инженерные задачи, в современной науке едва ли не важнее, чем приобрести очередной прибор.
– Что вы считаете главным результатом?
– Проект изначально был комплексным, поэтому и результаты нужно оценивать в совокупности.
Мы выполнили запланированный цикл работ по разработке и исследованию СИНИС-детекторов, созданию и экспериментальному исследованию различных антенных структур, разработке технологий изготовления наноструктур и совершенствованию экспериментальной инфраструктуры, включая разработку криовакуумного оснащения и специализированных оптических, тепловых, механических и электрических интерфейсов, необходимых для полноценного функционирования приемной системы. Одним словом, приемники созданы.
Исследования радиационной стойкости позволили расширить представления о поведении наноструктур при воздействии излучения и оценить перспективы их применения в условиях, характерных для космического пространства.
Мы выполнили обязательства по проекту и одновременно сформировали задел для следующего этапа работы.
– Где могут найти применение ваши результаты?
– Среди перспективных направлений - создание приемных систем для строящейся обсерватории на плато Суффа в Узбекистане, планируемого российского наземного субтерагерцового радиотелескопа и российской космической миссии «Миллиметрон». Для всех них необходима современная отечественная высокочувствительная приемная аппаратура.
Кроме того, субТГц-технологии могут использоваться в радиолокационных системах, дистанционном зондировании атмосферы, экологическом контроле.
Есть перспективы и в телекоммуникациях. Освоение более высоких частот открывает возможности для создания новых более высокопроизводительных систем передачи информации как в космосе, так и на Земле (6G и 7G мобильная связь).
– Какие приключения и открытия подарила вам работа с субТГц-излучением?
– Важнейшая особенность субТГц-излучения - сильное влияние атмосферы на распространение этих волн. Поэтому исследователям приходится либо подниматься высоко в горы, либо отправлять оборудование на воздушных шарах в верхние слои атмосферы. Но идеальное место для таких исследований - космос.
Все мальчишки моего поколения, чье детство было озарено улыбкой Гагарина, мечтали стать космонавтами. Я не был исключением. И счастлив, что мне удалось хотя бы прикоснуться к космической тематике. Уже почти 20 лет наша команда сотрудничает с Астрокосмическим центром ФИАН в рамках проекта космического ТГц-телескопа.
Мы сами создали приборы и с ними изучали атмосферу на субТГц-волнах (побывали и в горах), исследовали атмосферу на десятках вершин, которые могли бы стать площадками для размещения отечественного субТГц-радиотелескопа. Именно для него мы разрабатываем приемники. Мы уже знаем, где такой телескоп лучше установить, но, к сожалению, пока в стране нет подобных инструментов. В мире их насчитывается несколько десятков, и наше отставание в этой области приобретает критический характер. Возникает риск навсегда упустить позиции в направлениях, имеющих принципиальное значение для технологического суверенитета страны, таких как телекоммуникации и радиолокация.
– Вы начали наш разговор с истории института и своей дипломной работы почти полувековой давности. А сегодня в вашей команде молодые исследователи, которые только отправляются в путь. Что бы вы хотели им передать?
– Наверное, самое главное - интерес к сложным задачам и готовность не бояться того, что на первый взгляд кажется практически недостижимым.
Мне повезло оказаться в институте, где с самого начала была создана особая научная атмосфера. Здесь ценили как фундаментальные исследования, так и инженерию, умели работать на перспективу и понимали, что настоящий результат не всегда приходит быстро. Очень важно, чтобы традиция продолжалась. Для этого нужны не только талантливые молодые ученые, но и условия, позволяющие им заниматься наукой, расти профессионально, работать с современным оборудованием и видеть перспективу.
Наш проект в этом смысле - хороший пример того, как поддержка РНФ помогает сохранить и развить научную школу, объединить разные поколения исследователей и коллективы для создания новых технологий.
Надежда Волчкова
Обложка: настройка субТГц-радиометра для исследований микроволнового астроклимата.
На снимке: Илья Леснов, Кирилл Минеев, Вячеслав Сальков. Фото Анны Плис, пресс-служба ЦКП «СКИФ»
