Природа сама подсказывает человечеству секреты создания чего-то инновационного. Эволюционные процессы привели к тому, что хамелеон с помощью фотонных кристаллов, находящихся у него под кожей, может менять свой цвет. Ученые позаимствовали этот принцип для создания метаматериалов, свойства которых позволяют решать сложнейшие технологические задачи — будь то сверхтонкие металинзы с широким разрешением или разработка мантии-невидимки. «Хайтек» поговорил во время Science Bar Hopping с научным сотрудником Университета ИТМО Ксенией Барышниковой о том, как устроены диэлектрические поверхности, что такое фотонные кристаллы и почему женщины-ученые нуждаются в поддержке.
Ксения Барышникова — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, преподаватель.
Металинзы и оптический компьютер
— Какими разработками вы сейчас занимаетесь в ИТМО? Это научная деятельность или работа над проектами?
— Я занимаюсь фундаментальной наукой, это не предполагает конечного результата в форме продукта на рынке. Да, у нас есть какие-то тестовые вещи — в частности, этим летом я поеду работать преподавателем в «Сириус», и там мы будем делать металинзу для Wi-Fi. Будем ее составлять из шариков, размер линзы — около метра. Достаточно бесполезный вариант для жизни. Но тот дизайн, который мы будем тестировать, в оптике очень полезен.
Металинза состоит из большого числа пластинок или шариков, имеющих размер порядка длины волны света и искажающих направление и фазу падающего излучения. Выстраивание пластинок в определенном порядке позволяет фокусировать свет, имитируя обычную линзу. С помощью металинз можно преодолеть дифракционный предел, то есть разрешить объекты, размер которых меньше длины волны используемого света.
Метаматериалы — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой.
Основное мое направление — диэлектрическая нанофотоника. Эта та область нанооптики, которая изучает взаимодействие света с наноструктурами, сделанными из диэлектриков. Поэтому там мало поглощения — и другая физика, нежели у металлов.
— Расскажите о том, что делает Александр Ханикаев в ИТМО. Насколько я понял, он вместе с коллегами создал искусственную диэлектрическую поверхность.
— Да, и в ней распространение электромагнитных волн может быть управляемым. Я немного причастна и к этой области. Возможно, вы знаете, что в последнее время стала популярна тема топологических изоляторов. Это некий материал — диэлектрик в объеме, но на поверхности может проводить электрический ток. Мы этот концепт перенесли в фотонику. Это уже свет, который не распространяется в материале, но зато распространяется по поверхности или по особым интерфейсам на этой поверхности, которые мы конструируем специальным образом. Коллеги этим как раз занимаются. Я сейчас тоже считаю топологические задачи вместе с Максимом Горлачем.
— Какие сферы применения у таких диэлектрических поверхностей?
— Если говорить про топологию, то это, скорее, дальнее применение в оптических компьютерах, когда нам нужно управлять путем луча на наномасштабе, то есть посылать электромагнитную энергию по какому-то пути. Мы должны управлять этим процессом, переключать его. Но пока это более теоретические представления, и их трудно объяснить на реальных примерах.
Оптический компьютер — гипотетическое вычислительное устройство, вычисления в котором производятся с помощью фотонов, сгенерированных лазерами или диодами.
Большинство исследований фокусируются на замене обычных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты. Результатом станет новая цифровая компьютерная система для обработки двоичных данных. Такой подход дает возможность в краткосрочной перспективе разработать технологии для коммерческого применения, поскольку оптические компоненты могут быть внедрены в стандартные компьютеры, сначала создавая гибридные системы, а впоследствии и полностью фотонные.
Куда проще, например, рассказать о металинзе, про которую я уже говорила. Она находит применение в современных девайсах, которые нас окружают. У нас есть предварительный заказ на эти металинзы от одной компании, которая хочет использовать их в ультратонких смартфонах, в камерах для них. Металинзы дают очень хорошее разрешение.
— Как с помощью метаматериалов можно визуализировать больные органы?
— К вопросу медицины у нас на кафедре подходят с разных сторон. Есть целое отделение, которое занимается усовершенствованием технологии МРТ, чтобы контраст изображения был выше, а облучать можно было не все тело, а конкретную область, чтобы время МРТ уменьшалось. Сейчас это очень успешное направление исследований, и наши разработки начинают применять в больницах.
Другая область исследований — плазмонные наночастицы. Они используются для выявления и даже лечения раковых опухолей. Проникают внутрь организма, абсорбируются в той области, в которой находится новообразование, и когда мы облучаем эти наночастицы, то либо там освобождается какое-то лекарство, либо возникает локальный нагрев, что позволяет проводить лечение.
Фотонные кристаллы, эволюция и хамелеон
— В теме вашего выступления на Science Bar Hopping — хамелеон. Он-то тут причем?
— Каждый раз, когда я возвращаюсь в Петербург и вижу эти 50 оттенков серого, думаю о джунглях — там все зеленое, цветное, красивое, поют райские птицы. И есть хамелеон, который как хочет, так и меняет цвет. А почему он так может делать, а мы, люди, нет? Чтобы выяснить это, нужно вспомнить все, что нам говорили в школе и университете, и ответить на более главный вопрос: откуда берется цвет?
— Это известно — цвет берется от света.
— Да, и первое, что это значит — белый цвет уже содержит все цвета радуги. Следуя совету Ньютона или группы Pink Floyd (смеется) и используя простые приборы вроде призмы, мы можем разложить белый свет в спектр. Волна, как известно, характеризуется периодом — и у волн разного цвета разные периоды: у синего немного больше, чем у фиолетового, и так далее.
Наш глаз так устроен, что он дает разные сигналы в мозг, когда на сетчатку прилетает свет длиной 600 нм или 400 нм, к примеру. Для того, чтобы наша сетчатка распознала цвет, нам нужен не один фотон или квант света, а чуть побольше. Ночью свет тоже падает на сетчатку, но мы можем видеть только контуры объектов. Ночью, как известно, все кошки серые. При недостатке интенсивности излучения мы различаем только, где объекты светлее или темнее.
Когда на предмет падает свет, его поверхность что-то поглощает. Например, кошка может поглотить синий цвет. Тогда отразится и попадет на нашу сетчатку оранжево-красный. Потому что синий и оранжевый — комплиментарные. Например, хлорофилл — зеленый, потому что он поглощает свет красного и синего цвета.
С другой стороны, у нас есть краски, которыми мы можем перекрашивать объекты. Но это не дает возможности менять окраску так, как это делает хамелеон — по его желанию. Но что делает краски, пигменты разными по цвету? Вероятно, это что-то, что находится на молекулярном или атомарном уровне. И сколько существует молекул, столько существует и переходов в них. А значит любое минимальное различие в энергетических уровнях приводит к тому, что она может кардинально менять свои свойства. Если возбужденный уровень отстает от основного ровно на энергию налетающего фотона, происходит «чудо» и молекула становится цветной.
Можно подумать, что хамелеон — зеленый и красный, потому что есть соответствующие пигменты. И, возможно, он меняет цвета, потому что, например, меланин способен разливаться по клеткам.
— Но это неправда?
— Да, оказывается, что у хамелеона вообще нет зеленого пигмента, а есть только желтый там, где он как раз зеленый, и немного красного.
— И как же он это делает — меняет цвета?
— Вот мы и подходим к самому важному. Свет — не только квант, но еще и волна. И тут нужно понимать, какого оптического размера должен быть объект, чтобы он эффективно взаимодействовал со светом как с волной. Объект должен быть соизмерим с длиной волны. Тут мы и приходим к понятиям нанотехнологий и наноструктур.
Здесь можно говорить о структурном цвете, который бывает трех вариантов. Первый случай — многослойный отражатель, ряд тонких пленок, наложенных друг на друга. Например, бензин, разлитый по асфальту, обычно выглядит как радужные пятна из-за интерференции, потому что свет отражается не только от внешней поверхности, но и от внутренней тоже. Второй случай — дифракционная решетка, например, CD-диск, на котором мы наблюдаем порядки дифракции и разноцветие. Чтобы решетка эффективно взаимодействовала со светом, ее период должен быть кратен периоду волны света. То есть существует прямая связь между параметрами материала и его цветом. Третий случай — трехмерный фотонный кристалл, например, опал. Но на самом деле это все один случай — фотонного кристалла, но в зависимости от его размерности.
Фотонный кристалл — твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света.
Для фотонных кристаллов, как и для обычных, есть «запрещенные зоны». То есть для одних энергий фотонов свет отражается — фотонный диэлектрик, а для других — наоборот, фотонный проводник.
В природе наноструктуры часто встречаются — это бабочки, особенно тропические, павлины, афродита (морская мышь), обитающая на морском дне, обезьяна, растения, и, наконец, хамелеон. Фотонные кристаллы находятся у него под кожей. В зависимости от его состояния меняется период этих кристаллов, а значит меняется и длина волны света, с которым они взаимодействуют. В верхнем слое кожи у хамелеона расположен только желтый пигмент. Затем те самые фотонные кристаллы, в нормальном состоянии хамелеона отражающие синий цвет. Синий цвет фотонный кристаллов в сочетании с желтым пигмента образуют тот самый зеленый цвет хамелеона. Что интересно, под слоем этих фотонных кристаллов находится еще один слой — более разобщенных. Он предназначен для отражения инфракрасного света, чтобы хамелеон не перегревался. По сути, природа в процессе эволюции создала идеально оптимизированные структуры, что пока, к сожалению, недоступно для человека в таком совершенстве, хотя мы и стараемся скопипастить это у природы.
«Почему я должна полностью забивать на свою личную жизнь ради науки»
— На Science Bar Hopping на удивление много приглашенных женщин-ученых. А как с коллективом на вашем факультете? Много девушек-физиков?
— У нас очень много девушек. И никто даже не задумывается, что есть какая-то гендерная проблема или неравенство. Все очень хорошо и позитивно. Я ни разу не сталкивалась с дискриминацией, если ваш вопрос подразумевал именно эту деталь.
— А при выборе профессии родители или знакомые не говорили: куда ты пошла, физика, оптика, ужас?
— У меня семья, где мама — инженер, папа — кандидат наук, бабушка — тоже инженер. Все женщины в семье преподавали, поэтому для нас это более чем нормально. Меня даже немного заставляли идти по этому пути. Но все равно при выборе профессии было много сомнений.
Я, например, встречалась с мнением, что люди науки должны пожертвовать своей личной жизнью. И если мужчина якобы может это сделать, то женщина нет. Но не понимаю, почему я должна полностью забивать на свою личную жизнь ради науки, а не просто воспринимать свое призвание как работу, в которой можно добиться успехов и выдающихся результатов.
— А почему до сих существует этот стереотип, что карьера — это неправильный выбор для женщины?
— Ну а что тут можно сказать? У нас патриархальное общество. Но если говорить о том, почему мы не сможем от него отойти так просто, то проблема заключается в отношении к женщинам. Женщины рожают детей, очень часто остаются одни, никакой поддержки, как правило, нет, на работу часто не берут молодых матерей.
Поэтому родители стремятся обезопасить девушку, настраивают ее: ты обязательно должна быть хорошей женой, чтобы не оказаться в такой ситуации. Но осуждать всех людей с такими установками я, конечно, не готова. Но мне кажется, что поддержка государства должна быть больше и сильнее, особенно в отношении женщин, которые хотят иметь детей. У меня, например, пока нет ребенка, но хочу в будущем завести детей и надеюсь, что из-за этого не придется оставить науку.
— А как относитесь к тому, что в некоторых государствах женщин специально поддерживают в науке, например, грантами, даже если они ничего выдающегося не сделали? Нет ли в этом обратной дискриминации?
— Конечно, есть. И это не очень хорошо. Гораздо важнее на этапе детского сада, школы, когда женщина взрослеет, больше следить за процессом обучения, за тем, что делают и говорят преподаватели, чтобы уже на этом уровне идеи равенства впитывались.
Когда женщина уже выросла — и тут внезапно оказывается, что мир относится до сих пор по-разному к мужчине и женщине, — это вызывает противоречивые чувства. Это странно и неправильно. С другой стороны, существует стипендия для женщин-ученых от L’Oreal. Что в этом плохого? Не знаю, мне кажется, как временная мера поддержки женщин в науке это нормально, (именно стипендия, а не квоты), но когда-нибудь этого уже не потребуется.