«Мир стоит на пороге новой квантовой революции»

Российский физик Алексей Кавокин уверен, что в случае успеха вместе с коллегами он осуществит прорыв, сравнимый с появлением транзисторов, который поможет прорвать научно-техническую блокаду России

Полтора года назад сотрудники лаборатории оптики спина при Санкт-Петербургском госуниверситете разработали бозонный каскадный лазер нового типа. Возглавлял эту научную группу руководитель лаборатории Алексей Кавокин, профессор Университета Саутгемптона (Великобритания). Сейчас профессор Кавокин в сотрудничестве с немецкими физиками начал работу над проектом, который является революционным направлением физики, – спинтроникой.

– Алексей, одна из недавних разработок вашей лаборатории – терагерцовый лазер. Для чего может служить этот прибор?

– Примерно полтора года назад мы опубликовали концептуальную работу по бозонному каскадному лазеру. Это изобретение мы запатентовали в России и сейчас, в сотрудничестве с французскими учёными, работаем над экспериментальным подтверждением разработанной концепции. Бозонный лазер может излучать низкоэнергетические фотоны, имеющие терагерцовую частоту и длину волны менее миллиметра. Приборы со сходными характеристиками производит швейцарская фирма «Альп-лазер», но их лазеры очень громоздки, дороги и могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, а это затрудняет их практическое использование. Мы же разрабатываем компактный источник терагерцового излучения, способный работать при комнатной температуре. Сейчас нужно, чтобы какая-либо компания начала работы по созданию приборов, пригодных для практического применения, в рамках нашей концепции. Скорее всего, это будет японская компания – они сегодня лидируют в лазерных технологиях. В России я, к сожалению, пока не вижу возможных разработчиков нового прибора.

Где можно будет применять бозонный каскадный лазер? В самых разных сферах. Например, в медицине. Терагерцовое излучение проникает в кожу на глубину около миллиметра, что позволяет лечить рак кожи. Терагерцовый сканер может использоваться на таможне при поиске пластиковой взрывчатки. Терагерцовое излучение найдёт применение при беспроволочной передаче информации, когда надо быстро передать огромные объёмы информации в рамках замкнутого помещения, скажем, внутри подводной лодки.

– Другое важное направление ваших исследований – изучение спиновых токов в полупроводниках. Какова их цель?

– Мы сейчас начинаем работу над новым проектом, который посвящён развитию спиновой электроники, или спинтроники. Перед нами стоит очень важная задача – заменить в качестве кванта информации электрический заряд спином, магнитным моментом частицы. Если мы сумеем добиться результата, это будет революция, сравнимая с появлением транзистора. Напомню, вся наша электроника выросла из транзисторов, которые появились в конце 1940-х годов. Благодаря изобретению транзисторов были созданы телевизоры, компьютеры, интернет, и это изменило наш мир. Такой же скачок может произойти, если спиновая электроника пробьёт себе дорогу. Люди получат более быстрые компьютеры, смогут больше путешествовать, энергия станет дешевле, появится множество новшеств, вплоть до недорогих полётов на Луну.

– И в том числе квантовый компьютер?

– На мой взгляд, квантовый компьютер – не самая интересная часть квантовой физики. Если он будет разработан, то послужит для решения узкого круга задач. Область применения наших разработок будет гораздо шире.

Одна из проблем, с которой сталкивается современная электроника, в том, что перегреваются приборы. При всём вашем желании дальше уменьшать размер транзистора и увеличивать ёмкость платы нельзя – процессор просто сгорит. Современные компьютеры так нагреваются, что на них можно жарить яичницу. Нужны новые технологии, которые позволили бы уменьшить потери энергии. Сейчас 5 процентов энергии, которую производит человечество, тратится на передачу информации по оптическим кабелям. Образно говоря, мы греем океан.

Уменьшить эти бесполезные потери – серьёзная экономическая задача. Её можно решить, заменив электрон спином светоматериальных частиц. Взаимодействие света и вещества приводит к возникновению светоматериальных частиц – экситонных поляритонов, очень удобных для передачи информации. Это частицы, которые переносят спин, очень мало взаимодействуют с окружающей средой и практически не греют её, к тому же они распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Экситонный поляритон – хороший кандидат для замены традиционных электронов в приборах и логических схемах. По сути, мы пытаемся создать электронику без электронов. Если мы сделаем это, быстродействие компьютеров и интернета увеличится в миллионы раз!

– Мы получим новые, более совершенные приборы?

– Да, без сомнения, появятся и новые приборы, но сейчас пока сложно сказать, какие именно. Например, мы привыкли относить шапку-невидимку к сказочным предметам. Одна из наших разработок – создание покрытий, которые обеспечивают протекание света вокруг объекта. Так вот, если свет будет обтекать вас, вы окажетесь невидимы, люди будут смотреть сквозь вас, как если бы вы надели шапку-невидимку! Этот эффект возможен благодаря тому, что, когда свет становится жидкостью, им можно манипулировать, направлять в обход объекта.

Или та же проблема передачи информации. Современные оптические кабели несовершенны, по ним передаётся только интенсивность света, но не его поляризация. Пропускная способность кабелей повысилась бы в миллионы раз, если бы можно было передавать информацию, используя спины частиц или поляризацию света, то есть используя для кодирования вектор, имеющий направление и величину. Это одна из тех вещей, которые мы пытаемся реализовать в нашем проекте. Наши исследования тесно смыкаются с работами по «перепутанным» фотонам, которые выполняет ряд лабораторий в Европе и США.

– Кто же участвует в проекте создания новой электроники и кто его финансирует?

– Перед нами стоит очень трудная задача, для её решения требуется объединить усилия учёных разных стран. В новом проекте с российской стороны участвуют Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе и наша лаборатория оптики спина, с немецкой стороны – университеты Дортмунда, Бохума и Падерборна.

Мы получили финансирование – 8 миллионов 400 тысяч евро – на первые четыре года от крупнейшего немецкого фонда научных исследований. В проекте участвуют около 100 учёных и лаборатории с оборудованием, которое стоит десятки миллионов евро. Программа делится на 22 подпроекта, а подготовка к ней проходила пять лет. Проект принимала комиссия, которая специально для этого приезжала в Россию. С российской стороны интерес к проекту не настолько силён, но Российский фонд фундаментальных исследований нас поддерживает.

Думаю, этот проект важен ещё и потому, что поможет прорвать научно-техническую блокаду России. Такого рода блокада существует, хотя она и не так заметна, как финансовая или политическая. Многие международные инициативы сейчас заблокированы. Я знаю, что Российский научный фонд планировал совместные конкурсы с Францией и Германией, и эти программы сейчас откладываются. Но в данном случае крупнейший фонд ФРГ счёл выгодным для своей страны финансировать стратегический научный проект, рассчитанный на 12 лет.

– Можно ли считать это примером того, что наука не подчиняется политике, а немецкие учёные сохраняют курс на кооперацию и сотрудничество?

– Для единого сообщества учёных нет политических границ. Мы работаем со всеми странами – с Украиной, США, Китаем... Научные связи между Россией и Германией были и в советское, и в постсоветское время, активное научное партнёрство продолжается и в наши дни. Между Россией и Британией тоже существует научное сотрудничество. Британский совет финансирует обмены между российскими и британскими учёными, устраивает конференции.

Можно сказать, что научное сотрудничество стабилизирует мир. Правительства со своими не всегда адекватными идеями зависят от науки, поскольку сегодняшняя экономика без неё не может развиваться.