Алексей Алексенко /

Свет, материя и шесть рукопожатий

Представляем читателям науку спинтронику и профессора Анатолия Звездина, номинированного на премию «Сделано в России»

+T -
Поделиться:

Цель этой заметки — доступно объяснить читателям, за что именно мы номинируем на премию «Сделано в России» Анатолия Константиновича Звездина.

Можно, конечно, объяснить это буквально одним абзацем, и будет доступнее некуда. Вот представьте себе компанию атомов, у которых электроны суетливо вращаются, кто как хочет. И мы запускаем по этим атомам очень короткий электромагнитный — если угодно, световой — импульс. Импульс такой короткий, что поле в нем поколебалось буквально один раз, туда-сюда. И все — этого хватило, чтобы все атомные волчки закрутились в одном направлении, да так и остались крутиться, хотя импульс уже давным-давно кончился. Если мы научимся так ловко и быстро закручивать атомные волчки, то у нас будут очень быстрые компьютеры, потому что магнитные ячейки памяти — это как раз и есть группы атомов, у которых все крутится в одном направлении.

Физики, можете выдохнуть: больше таких грубых профанаций до конца заметки не будет.

То же самое можно объяснять долго и сложно, используя слова «фотоника», «спинтроника» и «магнитные гетероструктуры» (два последних слова присутствуют в названии лаборатории, которую профессор Звездин возглавляет в Физтехе, а первое — в названии журнала Nature Photonics, где опубликованы его последние статьи). Для этого, правда, придется пересказать читателю всю физику, с древних времен и до наших дней.

Возможно, читателю кажется, что эта самая «вся физика» — очень долгая и скучная история, которая ни за что не уместится в одной человеческой голове и которую веками строят по кирпичикам тысячи муравьишек-ученых. А вот ничего подобного. История той проблемы, которой занимается Звездин с коллегами, началась всего полтора века назад. А череда ученых, по эстафете передававших ее друг другу — от полного незнания до нынешнего положения дел, — состоит всего из шести физиков*. Так что мы просто попробуем их перечислить.

История электродинамики сплошных сред в шести физиках. Физик первый

Майкл Фарадей
Майкл Фарадей

Нашу историю следует начать с Майкла Фарадея. Этот знаменитый британец в 1845 году подметил, что если поляризованный свет пропускать через вещество, помещенное в магнитное поле, то поляризация света меняет направление.

Ах, вы не знаете, что такое «поляризованный свет» и «магнитное поле»?! Ничего страшного: Фарадей об этом тоже понятия не имел. Более того, мы в начале рассказа напомнили вам, что свет — это электромагнитные колебания, а Фарадей, чистая душа, не знал даже этого. Он просто поведал миру, что, если сделать вот так, можно наблюдать вот этакое.

Когда Фарадей придумал свой фокус (известный с тех пор как «эффект Фарадея»), ему было 54 года. А когда ему стукнуло 70, он получил от своего молодого коллеги письмо, где тот утверждал, что эффект Фарадея он ловко объяснил.

Физик второй

Джеймс Клерк Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл

Коллегу звали Джеймс Клерк Максвелл, и его объяснение выглядело полной чертовщиной. Там были какие-то «молекулярные вихри», которые своим вращением увлекали поляризацию света. Из всего этого, по мнению Максвелла, как-то следовало, что сам свет — это электромагнитное поле. Тридцатилетний выскочка даже написал несколько довольно элегантных уравнений, описывающих всю эту невнятную муть с вихрями.

Забегая вперед, отметим, что уравнения-то как раз оказались не просто точными, а самыми точными из всего, что физика открыла к тому моменту (а возможно, и доныне). А вот «вихри» ожиданий не оправдали: позже выяснилось, что эффект Фарадея без квантовой механики вообще никак не объяснить. До расщепления энергетических уровней в магнитном поле ни один современник Максвелла при всем желании додуматься не смог бы.

Позже Максвелл написал статью, а потом и книжку «Трактат об электричестве и магнетизме», причем стиль его рассуждений с годами не стал яснее. Видимо, поэтому большинство англоговорящих физиков принимало его идею об электромагнитной природе света с ужасающим скрипом. При жизни Максвелла его гипотезы воспринимались многими как прихоть ума, в которой, возможно, что-то есть, но что именно — пока непонятно. Наверное, примерно так сейчас большинство физиков оценивают концепцию «космологического времени» Шона Кэррола или интерференцию параллельных вселенных Дэвида Дойча.

Но кое-кто Максвелла сразу понял. Среди тех немногих, кого его идея вдохновила, были и русские физики — Умов и Столетов. Наверное, это тот случай, когда помогает плохое знание языка: можно не отвлекаться на стилистические тяжести и запутанную логику, а скакать глазами по формулам, сразу схватывая суть. С этого момента наша линия сюжета перемещается в Россию.

Физик третий

Николай Алексеевич Умов
Николай Алексеевич Умов

Николай Алексеевич Умов начал читать лекции по экспериментальной физике в Московском университете после рано умершего Столетова. Столетова студенты ненавидели (кажется, это было взаимно, ибо каждый экзамен превращался в кровавую бойню); Умова обожали. Андрей Белый, слушавший умовские лекции, даже посвятил ему стихи:

«...И строгой физикой мой ум переполнял профессор Умов, над мглой космической он пел, развив власы и выгнув выю, что парадоксами Максвелл уничтожает энтропию, что взрывы, полные игры, таят Томсоновские вихри, и что огромные миры в атомных силах не утихли».

Конечно, Умов был поэтом, пророком и философом — видимо, благодаря этому он сразу оценил величие гипотезы Максвелла, и, наверное, благодаря этим же качествам сам ничего особенно важного в физике не сделал. Зато дожил до общей теории относительности и до квантовой механики. Ученые все-таки живут не ради суетной славы, а чтобы как можно больше понять об устройстве природы, и Умов успел понять — пусть и из чужих статей — чертовски много. А еще успел рассказать об этом студентам. В 1909 году на его лекцию впервые пришел студент Сергей Вавилов.

Физик четвертый

Сергей Иванович Вавилов
Сергей Иванович Вавилов

Что больше всего поразило Вавилова на лекциях Умова, мы уже не узнаем, но догадаться можем. Сергей Иванович в течение жизни отметился едва ли не во всех областях физики, но физическая оптика была его вечной любовью: последняя монография Вавилова называется «Микроструктура света». Кажется, что-то важное из провиденного в смутных пророчествах Максвелла Умов до него донес.

В эпоху Вавилова разбираться в сложных отношениях материи и света было уже невозможно без помощи квантовой механики. Проблемы, которыми занимался вавиловский институт — «Почему кристаллы такие разноцветные?» или «Почему электроны, быстро летя в веществе, красиво светятся голубым светом?», — еще выглядят по-детски классичными, но в своей основе это уже та самая зубодробительная современная физика, которая питает ум нынешних физтеховцев, а нам грозит квантовыми компьютерами.

Сергей Иванович Вавилов получил целых четыре премии имени убийцы своего брата, то есть Сталинских. А вот Нобелевской — за голубые электроны — не получил, просто не дожил. Нобелевскую получил парень, пришедший к Вавилову в аспирантуру ФИАНа в 1939 году. Парня звали Александр Прохоров. И занялся он все той же историей — распространением электромагнитных колебаний в веществе.

Физик пятый

Александр Михайлович Прохоров
Александр Михайлович Прохоров

Россия дала миру всего дюжину нобелевских лауреатов-физиков, и Прохорова, с его лазерами, просто не могло не быть в их числе. Эти самые лазеры, говорят, потребовали от него немалой организаторской воли. В лаборатории Прохорова занимались самыми разными аспектами взаимодействия электромагнитных полей с веществом, в том числе СВЧ-излучением (и, собственно, тем самым «терагерцовым» излучением, которое входит в сферу интересов Анатолия Звездина). Так вот, в один прекрасный день Прохоров запретил все работы по СВЧ и лично разбил лабораторные приборы. Был скандал, многие уволились. Зато остальные сосредоточились на лазерах и дотянули до Нобелевки.

Лазеры — это на самом деле вот что. Прохоров и его коллеги придумали, как с помощью атомов (материи) из обычного электромагнитного поля можно соорудить необычное — огромную кучу фотонов, которые находятся ровно в одном и том же квантовом состоянии. С помощью таких фотонов, оказывается, можно делать забавные вещи. Например, изобразить в небе над Красной площадью здоровенный портрет Путина, забацать веселый узорчик на потолке бара или посветить ими в глаза пилоту, ведущему самолет на посадку, и посмотреть, что будет. А еще можно создавать фемтосекундные импульсы, с которыми сейчас работает Звездин.

О Прохорове помнят еще кое-что. Прохоров вместе с тремя другими академиками в 1983 году подписал письмо под названием «Когда теряют честь и совесть», опубликованное в «Известиях». В нем осуждалась деятельность академика А. Д. Сахарова. Говорят, что потом об этом жалел. Мы тут пишем об этом не для того, чтобы кого-то судить, а просто хотим бережно передать информацию следующим поколениям. Может, эти поколения решат, что оплевывать Сахарова с подачи КГБ для блага отчизны — дело хорошее и правильное, ну тогда они и в нашей заметке никакого очернительства не увидят. А может, новое поколение рассудит по-другому, и вот ради этого мы как раз муссируем все эти неприятные истории**.

Впрочем, вернемся к квантовой электронике, основоположником которой не без оснований считают академика Прохорова. Именно под началом Прохорова — в ИОФАНе и в Физтехе, где он возглавлял кафедру, — проходили ранние этапы научной карьеры Анатолия Звездина. Он и являет собой шестое поколение физиков, распутывающих сложности взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Физик шестой

На этой преемственности Анатолий Константинович особо настаивает. «Корни наших исследований лежат в советской науке. Я принадлежу к школе академика Прохорова. Он и другие мои учителя — в том числе академик В.-А. С. Боровик-Романов, профессор К. П. Белов из МГУ — гиганты, сидя на плечах которых я и мои коллеги изучаем физику сверхтонких процессов в магнетизме».

Историю познания, вместившую шесть поколений, невозможно корректно изложить за шесть минут; Звездин даже и не пытается. Описывая свою работу, он начинает с той самой байки об «атомных волчках»: «Представьте себе лазерный световой импульс длиной в фемтосекунду, всего два колебания поля, вверх-вниз. Мы показали, что этот импульс вызывает быструю динамику магнитных спинов в ансамбле атомов. Импульс кончился, а они продолжают вращаться. Следующий шаг — доказать, что импульс может перемагнитить вещество. И мы сейчас как раз работаем над механизмом полного перемагничивания материала коротким импульсом».

Анатолий Звездин, разумеется, тут же корректирует свою картинку, состряпанную на потребу невежественным популяризаторам: «В этой области правит бал квантовая механика. Без нее там ни шагу. Все дело в том, что мы нашли такой механизм, который раньше казался запрещенным. Это открывает путь для создания быстродействующей электроники, а в перспективе и квантового компьютинга».

У работ Звездина и коллег есть и еще одно любопытное приложение. Когда доктора делают вам МРТ (магнитно-резонансную томографию), они разбираются в ваших внутренностях, анализируя взаимодействие электромагнитного поля с веществом — например, вашей головой. При этом вам важно лежать спокойно и не дергаться. Но в природе все время что-то дергается, причем очень быстро: фемтосекунды (одна квадрильонная секунды) — характерное время процессов, происходящих с атомами материи, живой и неживой. И если Звездину с коллегами удастся понять, как взаимодействует с атомами фемтосекундный импульс поля, это откроет путь для познания механизмов жизни в немыслимых, фантастических подробностях.

Это произойдет не сейчас и не завтра. Но Анатолий Звездин, будучи еще и преподавателем Физтеха, закладывает основы для того, чтобы это когда-нибудь произошло:

«В нашей работе есть важный аспект, связанный с образовательной деятельностью. Мы привлекаем к работе студентов. Есть у нас одна девочка, закончила IV курс, бакалавр. Она уже на равных сотрудничает со специалистами в этой области. Недавно сделала устный доклад на международной конференции на тему наших исследований».

Остается добавить, что «девочку» зовут Маргарита Давыдова. Возможно, если лет этак через сто кто-то продолжит рассказывать историю преемственности физиков, от Фарадея до XXII века, ему можно будет начать прямо с Маргариты. По нашему счету это будет Физик седьмой.

Анатолий Звездин номинирован на премию «Сделано в России» «за способ в тысячу раз увеличить скорость работы компьютера», за хитрые игры с ионами тулия, тербия и висмута, заставляющие их послушно реагировать на терагерцовое излучение. Но еще и за то, что благодаря профессору Физтеха Анатолию Звездину, возможно, не прервется та преемственность, о которой мы рассказывали. Оборвать по неосторожности цепочку легче легкого. Но если ее сохранить, возможно, какое-то время эта сюжетная линия будет продолжаться и в России. Это бы вполне соответствовало духу нашей премии.

Примечания

* «Шесть рукопожатий» в названии статьи — небольшая натяжка, поскольку Умов и Столетов никогда лично с Максвеллом не встречались. Однако они поняли его статьи и вдохновились ими: о большем взаимопонимании физик и мечтать не может. В конце концов, автор этой заметки тоже общается с читателями с помощью букв на экране. А ощущение такое, будто каждому пожал руку.

** Анатолий Константинович Звездин был категорически против того, чтобы вспоминать о «Письме четырех академиков» в этой заметке, поскольку из нашего времени мы не имеем права судить поступки людей 80-х. Автор придерживается другого мнения.

 

Новости наших партнеров