Каким вы представляете современного ученого? Наверняка воображение рисует седовласого серьезного мужчину, который день и ночь сидит за чертежами и даже не улыбается... По крайней мере портреты таких людей всегда висели в вашей школе над классной доской. «НО» в честь 8 февраля — дня науки решили попытаться доказать, что ученые XXI века — люди творческие, которые точно не обделены чувством юмора.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО1. Творческое
Чтобы выявить закон всемирного тяготения, на Ньютона должно было упасть яблоко. А Архимед для своего закона должен был просто искупаться в ванной... Один из наших троицких ученых, руководитель ТОП ФИАН Андрей Наумов в этом ничего удивительного не видит. Ему, конечно, никакие яблоки на голову не падали. Но для продвижения науки у нашего физика есть свои, менее опасные методы.
— И у каждого ученого находятся какие-то свои истории, — говорит Андрей Наумов. — А все потому, что никто не может понять, в какой момент рождается идея. Я, например, будучи школьником, если не мог решить какую-то сверхсложную олимпиадную задачу, начинал играть на баяне! И именно в этот момент приходило решение. А во взрослом возрасте... Скажу честно, когда мне нужно было написать программу для обработки данных, это неплохо получалось под классическую музыку и группу «ABBA», а вот сложные вещи, те же аналитические уравнения, хорошо решаются под Вагнера.
Необъяснимо... Но факт!
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО 2.Житейское
А еще идеи приходят тогда, когда их совсем не ждешь. Чтобы продемонстрировать потенциал целого физического направления — внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, коллегам Андрея Наумова — спектроскопистам понадобилась всего лишь бутылка... водки! Собирались ее пить ученые или нет, уже никто не скажет. Но то ли ради шутки, а может и всерьез, ученые решили определить, сколько в ней содержится метанола (метилового спирта), который опасен для организма.
— Причем не вскрывая бутылки! — рассказывает Андрей Витальевич. — И у коллег это прекрасно получилось, а их исследование легло в основу востребованной технологии, благодаря чему мы можем узнать, например, не содержится ли опасного красителя в той же газировке. А в США по такому принципу создали считывающее устройство для трасс, которое на расстоянии может измерять пары этанола в машине. А значит, определять людей в состоянии алкогольного опьянения до того, как машину остановит полиция
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО 3.Признанное
А иногда ученым скучно сидеть за формулами. И они начинают доказывать странные вещи. Многие из нас слышали о Шнобелевской премии за необычные открытия в науке, которые заставляют посмеяться, а потом задуматься. Вот так получилось и с французским коллегой Андрея Наумова. Он просто наблюдал за кошкой. А потом...
— Опубликовал исследование под названием «Кошки: они скорее жидкие или твердые». И пришел к выводу, что кошка — существо аморфное и строго определенной формы нет, потому что может быть и твердой, и жидкой, — рассказывает Андрей Наумов.
Если не верите, предложите своему пушистому любимцу сесть в коробку — он прекрасно займет ее. А если найдете сосуд цилиндрической формы, котику будет удобно и в нем! К слову, из троицких ученых никто Шнобелевскую премию пока не получал.
В ТЕМУ
10 миллионов шведских крон (примерно 900 тысяч долларов) получает лауреат Шнобелевской премии. Также им полагается диплом и медаль. Последняя может быть сделана из фольги или, например, в виде челюстей на подставке. Ученому полагается сертификат, подтверждающий получение премии. Его подписывают три лауреата Нобелевской премии. В 21-м году среди победителей было за исследование изменения мяуканья, фырканья и мурлыканья кошек в ответ на перемены в интонации людей.
Ускоритель для получения мюонов в Институте Пола Шеррера
Группа ученых из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством профессора Паоло Кривелли (Paolo Crivelli) измерила частоту перехода между 2S и 2P подуровнями, лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии — экзотическом атоме, состоящем из мюона и электрона. Эта работа поможет ученым в поисках отклонений от главной физической теории — Стандартной модели — и путей к Новой физике. Об исследовании сообщила пресс-служба ФИАН.
«Мы показали возможность измерения перехода, который в перспективе, если увеличить статистику измерений и уменьшить ошибки, позволит наиболее точно измерить лэмбовский сдвиг в атоме мюония», — говорит старший научный сотрудник Лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Артём Головизин.
Мюон — это фундаментальная частица, лептон, которая может обладать как положительным, так и отрицательным зарядом. Она похожа на электрон, обладает таким же спином 1/2, но в 207 раз тяжелее. При этом время жизни мюонов крайне мало — 2,2 × 10-6 с. Мюоны впервые были обнаружены в космическом излучении Андерсоном и Неддермайером в 1936 году.
Боровская модель устройства атомов говорит, что уровень энергии электронов в атоме задается номером его оболочки — так называемым главным квантовым числом. А электронная оболочка представляет собой симметричное распределение электронов по орбиталям вокруг ядра. При переходе с основного уровня на первый возбужденный уровень у электрона есть две возможных конфигурации того, как он будет распределен в атоме. Он может быть либо сферически распределен, либо гантелеобразно. Сферическое положение — это S-орбиталь. А гантелеобразное — это P-орбиталь. При этом на S-орбитали будет один электронный уровень 2S1/2, а электронный уровень P-орбитали будет состоять из двух подуровней 2P1/2 и 2P3/2. Число ½ здесь означает полный момент электрона, который обозначается буквой J и может быть равен 1/2, 3/2 и так далее.
Согласно теории Дирака уровни 2S1/2 и 2P1/2, то есть с одинаковым полным моментом электрона J=1/2, не должны отличаться по энергии. Однако в ходе экспериментов ученые обнаружили, что на самом деле 2P-уровень энергий разделен на два подуровня: 2P1/2 и 3P1/2. И оказалось, что когда орбиталь электрона имеет гантелеобразную форму, уровень ее энергии ниже, чем когда электрон имеет сферическую форму. Этот сдвиг энергий называется лэмбовским сдвигом.
Когда были открыты мюоны, ученые обнаружили интересную особенность: их проще изучать, чем протон. Протон — это составная частица, состоящая из кварков. Чтобы описать его свойства, нужно применять теорию квантовой электродинамики и квантовую хромодинамику — это требует сложных расчетов, которые трудно проверять в экспериментах. Для мюона — элементарной частицы — ситуация проще, в этом случае достаточно квантовой электродинамики.
Почти сразу после открытия ученые заметили аномалии в измерениях некоторых характеристик мюона. Все расчеты, которые делались в других системах с электроном, совпадали с экспериментами. То есть для электрона квантовая электродинамика работает. Но почему-то для мюона она дает заметное расхождение с результатами экспериментов. Недавние исследования G-2 в FermiLab подтвердили, что это расхождение усиливается. Это может означать, что есть какие-то неизвестные нам взаимодействия мюона с чем-то, например, с какой-то новой частицей, которая взаимодействует почему-то только с мюоном. Это одно из указаний, что Стандартная модель не полна.
Для высокой точности измерений требуется источник интенсивного пучка частиц мюония, чтобы уменьшить статистические ошибки. Такой источник есть в швейцарском Институте Пола Шеррера. Именно там проводит исследования коллаборация Mu-Mass, в которую входят физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и ФИАНа. В этом институте есть современный ускоритель, в котором протоны разгоняются до высоких скоростей и бомбардируют мишень, в результате чего рождаются мюоны.
«Уникальность нашего измерения обусловлена тем, что мы работаем на довольно интенсивном пучке мюонов, причем холодных. Этот факт позволил нам как раз улучшить, измерить частоту этого перехода за счет того, что мы получали значительно больше мюонов, чем до этого или чем в каких-либо других лабораториях можно получить», — говорит Артём Головизин.
В своей работе ученые создавали пучок мюонов, который с помощью электромагнитных полей направлялся сквозь тонкую карбоновую фольгу толщиной 10 нанометров. Проходя через нее, некоторые мюоны захватывали электрон, образовывая таким образом мюоний. Он очень похож на атом водорода, только протон заменен на мюон. Примерно у 10 % мюониев электроны оказываются на подуровне 2S1/2. Именно такие атомы интересовали ученых.
Далее пучок направлялся через электромагнитное поле на частоте вблизи 580 МГц, что вызывало внутри мюония резонанс и переход 2S состояния в 2P — перескок из верхнего уровня на нижний уровень. Фиксируя этот переход, ученые измеряли резонансную частоту перехода, из чего в дальнейшем, используя вычисленные значения сверхтонких расщеплений 2S и 2P уровней (557,9 МГц и 186,1 МГц), пересчитывали значение лэмбовского сдвига, которое оказалось равным 1045,5 МГц.
Затем ученые измерили частоту перехода между подуровнями 2S1/2, F=0 и 2P1/2, F=1, где F — это номер сверхтонкого подуровня. Он оказался равен 580,6 МГц. Далее, взяв из предыдущей работы измерение частоты другого перехода между подуровнями 2S1/2, F=1 и 2P1/2, F=1, ученые по разнице частот этих двух переходов определили расщепление 2S уровня, равное 559,6 МГц.
«Мы прикладываем электромагнитное поле частотой вблизи 580 мегагерц. И когда мы прикладываем это поле, с какой-то вероятностью может произойти переход с верхнего уровня на нижний уровень. Если это произойдет, то нижний уровень очень быстро распадется в 1S состояние. Если этого не произойдет, то атом останется в 2S состоянии, и мы сможем его зарегистрировать. В зависимости от частоты прикладываемого радиочастотного поля, мы наблюдаем резонанс. Когда мы приближаемся к резонансу, мы видим, что часть атомов, которые летят в состоянии 2S, куда-то пропадает. И вот как раз из этих данных мы и можем определить резонансную частоту перехода», — поясняет Артём Головизин.
Так как протоны после разгона обладают высокой скоростью и энергией, то и мюоны имеют большую скорость. Однако чтобы эффективно производить мюоний, и тем более резонансно возбуждать переходы, нужно использовать медленные мюоны. Тогда больше шансов, что они захватят электрон и ученым удастся их измерить, иначе мюон может просто пролететь область возбуждения за очень короткое время, не захватив ни одного электрона. Поэтому ученые замедляют мюоны, чтобы сделать процесс захвата более эффективным. В эксперименте ученые тормозили мюоны с помощью неонового замедлителя, снижая их энергию с 28 мегаэлектронвольт до 20 электронвольт. Изначальная скорость мюонов составляет примерно четверть скорость света, а после замедления падает в 1000 раз.
Ученые надеются, что в будущем им удастся снизить статистическую погрешность, и тогда измерение 2S1/2, F=0 -2P1/2, F=1 перехода поможет точно рассчитать лэмбовский сдвиг, так как именно этот переход лучше подходит для точных измерений. Пока что ученые сделали первый шаг в этом направлении. Тогда, если обнаружится расхождение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами и оно будет меньше погрешности измерений, это будет указывать на то, что ученые столкнулись с явлением, выходящим за пределы Стандартной модели.
«Мы пытаемся максимально точно измерить экспериментально это значение. И если не будет расхождения, то ничего интересного сказать не получится. Но если расхождение будет, это позволит что-то предполагать. Но чтобы понять, есть расхождение или нет, надо увеличивать точность измерений, потому что пока что ошибка измерений больше, чем возможное расхождение, которое есть между экспериментом и теорией», — говорит Артём Головизин.
Конечной целью ученых является определение массы мюона. Оно необходимо для более точных расчетов, так как предсказать массу теоретическим путем невозможно.
Группа ученых из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством профессора Паоло Кривелли (Paolo Crivelli) измерила частоту перехода между 2S и 2P подуровнями, лэмбовский сдвиг и 2S-расщепление в мюонии — экзотическом атоме, состоящем из мюона и электрона. Эта работа поможет ученым в поисках отклонений от главной физической теории — Стандартной модели — и путей к Новой физике. Об исследовании сообщила пресс-служба ФИАН.
«Мы показали возможность измерения перехода, который в перспективе, если увеличить статистику измерений и уменьшить ошибки, позволит наиболее точно измерить лэмбовский сдвиг в атоме мюония», — говорит старший научный сотрудник Лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» ФИАН Артём Головизин.
Мюон — это фундаментальная частица, лептон, которая может обладать как положительным, так и отрицательным зарядом. Она похожа на электрон, обладает таким же спином 1/2, но в 207 раз тяжелее. При этом время жизни мюонов крайне мало — 2,2 × 10-6 с. Мюоны впервые были обнаружены в космическом излучении Андерсоном и Неддермайером в 1936 году.
Боровская модель устройства атомов говорит, что уровень энергии электронов в атоме задается номером его оболочки — так называемым главным квантовым числом. А электронная оболочка представляет собой симметричное распределение электронов по орбиталям вокруг ядра. При переходе с основного уровня на первый возбужденный уровень у электрона есть две возможных конфигурации того, как он будет распределен в атоме. Он может быть либо сферически распределен, либо гантелеобразно. Сферическое положение — это S-орбиталь. А гантелеобразное — это P-орбиталь. При этом на S-орбитали будет один электронный уровень 2S1/2, а электронный уровень P-орбитали будет состоять из двух подуровней 2P1/2 и 2P3/2. Число ½ здесь означает полный момент электрона, который обозначается буквой J и может быть равен 1/2, 3/2 и так далее.
Согласно теории Дирака уровни 2S1/2 и 2P1/2, то есть с одинаковым полным моментом электрона J=1/2, не должны отличаться по энергии. Однако в ходе экспериментов ученые обнаружили, что на самом деле 2P-уровень энергий разделен на два подуровня: 2P1/2 и 3P1/2. И оказалось, что когда орбиталь электрона имеет гантелеобразную форму, уровень ее энергии ниже, чем когда электрон имеет сферическую форму. Этот сдвиг энергий называется лэмбовским сдвигом.
Когда были открыты мюоны, ученые обнаружили интересную особенность: их проще изучать, чем протон. Протон — это составная частица, состоящая из кварков. Чтобы описать его свойства, нужно применять теорию квантовой электродинамики и квантовую хромодинамику — это требует сложных расчетов, которые трудно проверять в экспериментах. Для мюона — элементарной частицы — ситуация проще, в этом случае достаточно квантовой электродинамики.
Почти сразу после открытия ученые заметили аномалии в измерениях некоторых характеристик мюона. Все расчеты, которые делались в других системах с электроном, совпадали с экспериментами. То есть для электрона квантовая электродинамика работает. Но почему-то для мюона она дает заметное расхождение с результатами экспериментов. Недавние исследования G-2 в FermiLab подтвердили, что это расхождение усиливается. Это может означать, что есть какие-то неизвестные нам взаимодействия мюона с чем-то, например, с какой-то новой частицей, которая взаимодействует почему-то только с мюоном. Это одно из указаний, что Стандартная модель не полна.
Для высокой точности измерений требуется источник интенсивного пучка частиц мюония, чтобы уменьшить статистические ошибки. Такой источник есть в швейцарском Институте Пола Шеррера. Именно там проводит исследования коллаборация Mu-Mass, в которую входят физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и ФИАНа. В этом институте есть современный ускоритель, в котором протоны разгоняются до высоких скоростей и бомбардируют мишень, в результате чего рождаются мюоны.
«Уникальность нашего измерения обусловлена тем, что мы работаем на довольно интенсивном пучке мюонов, причем холодных. Этот факт позволил нам как раз улучшить, измерить частоту этого перехода за счет того, что мы получали значительно больше мюонов, чем до этого или чем в каких-либо других лабораториях можно получить», — говорит Артём Головизин.
В своей работе ученые создавали пучок мюонов, который с помощью электромагнитных полей направлялся сквозь тонкую карбоновую фольгу толщиной 10 нанометров. Проходя через нее, некоторые мюоны захватывали электрон, образовывая таким образом мюоний. Он очень похож на атом водорода, только протон заменен на мюон. Примерно у 10 % мюониев электроны оказываются на подуровне 2S1/2. Именно такие атомы интересовали ученых.
Далее пучок направлялся через электромагнитное поле на частоте вблизи 580 МГц, что вызывало внутри мюония резонанс и переход 2S состояния в 2P — перескок из верхнего уровня на нижний уровень. Фиксируя этот переход, ученые измеряли резонансную частоту перехода, из чего в дальнейшем, используя вычисленные значения сверхтонких расщеплений 2S и 2P уровней (557,9 МГц и 186,1 МГц), пересчитывали значение лэмбовского сдвига, которое оказалось равным 1045,5 МГц.
Затем ученые измерили частоту перехода между подуровнями 2S1/2, F=0 и 2P1/2, F=1, где F — это номер сверхтонкого подуровня. Он оказался равен 580,6 МГц. Далее, взяв из предыдущей работы измерение частоты другого перехода между подуровнями 2S1/2, F=1 и 2P1/2, F=1, ученые по разнице частот этих двух переходов определили расщепление 2S уровня, равное 559,6 МГц.
«Мы прикладываем электромагнитное поле частотой вблизи 580 мегагерц. И когда мы прикладываем это поле, с какой-то вероятностью может произойти переход с верхнего уровня на нижний уровень. Если это произойдет, то нижний уровень очень быстро распадется в 1S состояние. Если этого не произойдет, то атом останется в 2S состоянии, и мы сможем его зарегистрировать. В зависимости от частоты прикладываемого радиочастотного поля, мы наблюдаем резонанс. Когда мы приближаемся к резонансу, мы видим, что часть атомов, которые летят в состоянии 2S, куда-то пропадает. И вот как раз из этих данных мы и можем определить резонансную частоту перехода», — поясняет Артём Головизин.
Так как протоны после разгона обладают высокой скоростью и энергией, то и мюоны имеют большую скорость. Однако чтобы эффективно производить мюоний, и тем более резонансно возбуждать переходы, нужно использовать медленные мюоны. Тогда больше шансов, что они захватят электрон и ученым удастся их измерить, иначе мюон может просто пролететь область возбуждения за очень короткое время, не захватив ни одного электрона. Поэтому ученые замедляют мюоны, чтобы сделать процесс захвата более эффективным. В эксперименте ученые тормозили мюоны с помощью неонового замедлителя, снижая их энергию с 28 мегаэлектронвольт до 20 электронвольт. Изначальная скорость мюонов составляет примерно четверть скорость света, а после замедления падает в 1000 раз.
Ученые надеются, что в будущем им удастся снизить статистическую погрешность, и тогда измерение 2S1/2, F=0 -2P1/2, F=1 перехода поможет точно рассчитать лэмбовский сдвиг, так как именно этот переход лучше подходит для точных измерений. Пока что ученые сделали первый шаг в этом направлении. Тогда, если обнаружится расхождение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами и оно будет меньше погрешности измерений, это будет указывать на то, что ученые столкнулись с явлением, выходящим за пределы Стандартной модели.
«Мы пытаемся максимально точно измерить экспериментально это значение. И если не будет расхождения, то ничего интересного сказать не получится. Но если расхождение будет, это позволит что-то предполагать. Но чтобы понять, есть расхождение или нет, надо увеличивать точность измерений, потому что пока что ошибка измерений больше, чем возможное расхождение, которое есть между экспериментом и теорией», — говорит Артём Головизин.
Конечной целью ученых является определение массы мюона. Оно необходимо для более точных расчетов, так как предсказать массу теоретическим путем невозможно.
Медаль имени Летохова, которую вручает раз в два года Оптическое общество им. Рождественского, – довольно молодая награда. Она была учреждена в 2012-м, и среди её обладателей немало физиков из троицких институтов. Это естественно – ведь выдающийся учёный, замдиректора Института спектроскопии Владилен Степанович Летохов жил и работал в нашем городе. А его работы в области лазерной физики дали начало множеству важных научных направлений и приложений, таких как лазерное разделение изотопов, и продолжаются до сих пор в ИСАНе и других организациях.
Медали присуждаются по двум направлениям исследований: фундаментальным и прикладным. Из 19 конкурсных работ жюри отметило пять: по прикладным исследованиям медали получили Максим Рахлин (ФТИ им. Иоффе, Петербург) и Максим Тригуб (Институт оптики атмосферы, Томск), фундаментальным – Артем Головизин (ФИАН, Москва), Владимир Румянцев (Институт физики микроструктур, Нижний Новгород) и Иван Рыжов (Санкт-Петербургский госуниверситет).
И хотя троичан в этом году среди лауреатов нет, в ИСАНе проходит центральное событие – награждение и семинар, на котором лауреаты рассказывают о своих работах. 23 марта в ИСАНе выступил Владимир Румянцев – кандидат физ.-мат. наук, специалист в области экспериментальной физики полупроводников, один из ведущих молодых физиков-экспериментаторов своего института.
Его работы не являются прямым развитием направлений, начатых Летоховым, но лежат в русле того, чем он активно занимался – теории лазеров. «Исследования оптических свойств дираковских фермионов в наноструктурах Hg(Cd)Te/CdHgTe, представляющих интерес для создания межзонных полупроводниковых лазеров из-за эффективного подавления безызлучательных каналов рекомбинации неравновесных носителей заряда», – гласит анонс доклада. Если просто, Румянцев изучает квантовые явления в наноструктурах ртуть-кадмий-теллур, которые могут быть активной средой для лазеров в среднем и дальнем ИК-диапазоне, прежде всего от 25 до 50 микрон.
«Среди полупроводниковых лазеров, отличающихся своей компактностью, приборов с такими длинами волн сейчас мало, – рассказывает Владимир. – За счёт дизайна структур на наноуровне мы смогли повысить к.п.д. потенциального устройства. Грубо говоря, заставили электроны и дырки в материале вести себя так, как они ведут себя в теории относительности. Была реализована междисциплинарность: то, что хорошо известно в физике частиц, мы реализовали в другом масштабе и в другом исполнении – внутри двумерного полупроводника». Синтезируют нужные структуры в Институте физики полупроводников СО РАН. «Это синергия технологий из Новосибирска, где умеют хорошо растить и контролировать очень тонкие слои, и наших экспериментальных возможностей, методик, подходов», – говорит Румянцев.
Работы носят фундаментальный характер, но уже сейчас переходят в прикладную плоскость. Создаётся прототип прибора, который сможет работать при температурах вблизи комнатной. Лазеры для спектроскопии могут найти применение в астрофизике – для лабораторного моделирования процессов в межзвёздной среде. А основные применения вполне «земные» – например, определение состава выдыхаемого воздуха, мониторинг окружающей среды, анализ нефтепродуктов, выявление утечек газа на магистралях. «Например, можно определять не только качество бензина, но и его марку, и даже завод, где его сделали, – говорит Румянцев. – Или такая задача: у метана есть линия 3,2 микрона, надо сделать датчик, который можно прикрепить на газопровод через каждые 100 м. Есть каскадный лазер, но он стоит 5 тысяч долларов, дорого, а если наш будет 5 тысяч рублей – другое дело! Сильной стороной того, что мы делаем, является принципиальная простота и потенциальная дешевизна».
Перед семинаром директор ИСАНа Виктор Задков вручил Владимиру Румянцеву диплом и медаль, а по завершению гостя пригласили в мемориальный кабинет Летохова. Экскурсию провёл ученик Владилена Степановича, завотделом лазерной спектроскопии Евгений Рябов. «Выдающийся теоретик, хороший организатор, он был генератором идей и имел отличный нюх на всё новое. Про него говорили: very creative!» – рассказывал он.
Летохова не стало в 2009 году, а в кабинете всё, как было при нём. Его труды на многих языках мира, обширная литература, дипломы и награды, в том числе Ленинская премия, подарки и фотографии друзей… Напротив – доска, у которой шли обсуждения. Книжные полки с научными журналами – все могли приходить сюда читать. Небольшая фотоэкспозиция есть у входа в кабинет, да и весь институт наполнен памятью о Летохове. ИСАН выпустил и биографию учёного, её получают в подарок все лауреаты медали. Вручили книгу и Владимиру Румянцеву.
Изменят ли НОЦ ситуацию с развитием хайтек-отраслей и дефицитом квалифицированных специалистов в регионах
На Кузбассе растет спрос на технологии, призванные заменить людей машинами на опасных участках
Относительно новый элемент в широком ассортименте российских программ, направленных на поддержку науки и технологий, — 15 научно-образовательных центров мирового уровня. Они были созданы в 2018 году в рамках нацпроекта «Наука» и нацелены на решение одной из самых сложных задач для наших реалий — интеграции образования, науки и промышленности. НОЦ работают сразу по двум направлениям: готовят кадры для высокотехнологичных отраслей и создают конкурентоспособные продукты, опираясь на запросы индустрии и потребности хайтек-рынков. Поначалу считалось, что об эффективности таких центров стоит говорить не ранее 2030 года (в науке и технологиях все развивается довольно медленно), но после наложения на Россию в 2022 году множества санкций проекты стали раскручиваться гораздо быстрее.
Так, в целом по стране новый портфель разработок для импортозамещения утвержден в рекордной сумме — 5,2 трлн рублей (это без учета бюджетов авиа- и судостроения), что почти на 2 трлн больше стоимости предыдущего списка. Стремительно возрастает и кадровый дефицит. Уже сегодня нехватка профессионалов высокого класса в ОПК оценивается в 120 тыс. человек, в электронике — более чем в 60 тыс., в авиапроме недостает свыше 14 тыс. сотрудников, в судостроении — почти 6 тыс. В будущем, как отмечается в февральском обзоре региональных экономик ЦБ, позитивные структурные сдвиги в экономике еще сильнее подогреют рынок труда в высокотехнологичных сегментах. Причем специалисты требуются прежде всего в регионах, которые вступают в гонку за инвестпроекты в области технологий. Все эти факторы стимулируют мобилизацию интеграционных ресурсов НОЦ, на которые возлагаются большие надежды.
НОЦ-призыв
Быстрорастущий спрос на «физиков» находит отражение в образовательных программах центров с фокусом на раннюю профориентацию. Каждый НОЦ реализует несколько таких программ, в которых производственники читают лекции студентам, ведут инженерные кружки для школьников, проводят мастер-классы на предприятиях и организовывают конкурсы по технологическим проектам. Не то чтобы это был совсем новый формат для страны, но раньше подобные истории носили локальный характер и реализовывались в основном силами крупных госкомпаний, например «Росатома» и РЖД, которые всегда вели целевую подготовку студентов.
Теперь же в это движение вовлекается все большее число игроков реального сектора экономики. В их числе и Объединенная судостроительная корпорация (ОСК), которой пророчат серьезные проблемы из-за кадрового дефицита, вызванного резким увеличением объема работы. Так, при участии компании в регионах запущено сразу два крупных проекта. В Нижнем Новгороде на базе Нижегородского НОЦ начал работу первый в России образовательный судостроительный кластер, в который вошли ОСК, завод «Красное Сормово», школы Сормовского района, вузы и техникумы. Школьники начиная со средних классов посещают дополнительные занятия по судостроительной тематике, в том числе на заводе, чтобы своими глазами увидеть весь процесс создания судов — от резки металла до сборки корпуса, а в старших классах выполняют первые научные работы под руководством специалистов предприятия и преподавателей профильных вузов. Выпускникам «Красное Сормово» выдает целевые направления для обучения в вузах и техникумах по актуальным для отрасли специальностям. Самые талантливые студенты получают стипендию от ОСК, а в перспективе им гарантируется трудоустройство на заводе.
В Северодвинске при поддержке НОЦ «Российская Арктика» на базе Санкт-Петербургского политехнического университета и Северного (Арктического) федерального университета ОСК создает Центр компетенций передовых и производственных технологий для решения актуальных задач судостроительной отрасли: подготовки кадров, разработки техпроцессов по инновационным направлениям, изготовления оборудования под конкретные проекты. В роли учебного полигона здесь выступает судоремонтный завод «Звездочка».
Крупные частные компании из Перми — один из лидеров мирового рынка фторполимерной продукции «ГалоПолимер», главный в стране производитель метанола ПАО «Метафракс Кемикалс» и специализирующаяся на реактивах «ПромХимПермь», а также двигательный завод «Протон-ПМ» (входит в ГК «Роскосмос») — при поддержке НОЦ «Рациональное природопользование» проводят регулярные драфты для студентов-химиков, по итогам которых выбирают перспективных ребят для стажировок и летней практики. В будущем подходящих кандидатов, скорее всего, ждут долгосрочные контракты.
В Кемеровской области Кузбасский технический государственный университет (НОЦ «Кузбасс») регулярно проводит соревнования для учащихся 7–11-х классов по решению технологических задач «Инженерная лига Кузбасса». Школьники уже готовили проекты по «зеленой» энергии и «зеленым» технологиям региона, карбоновому полигону и цифровизации туристско-рекреационных кластеров, а этой весной представят свои варианты решения проблемы теплоснабжения города Кемерово.
Эти и множество других кейсов НОЦ объединяет одно: потенциальные работодатели уже поняли, что размещения высокооплачиваемых вакансий и даже поддержки целевого набора студентов в вузы для решения кадрового вопроса недостаточно. За квалифицированные трудовые ресурсы нужно бороться на всех ступенях их подготовки: в школах, техникумах, вузах. Показателен пример радиоэлектронной отрасли: по свежим данным Минпромторга РФ, из 20 тыс. выпускаемых вузами профильных специалистов только 5% остаются в профессии, а остальные выбирают сферы деятельности с более простыми точками входа — в той же сфере услуг.
Позитивные структурные сдвиги в экономике еще сильнее подогреют рынок труда в высокотехнологичных сегментах. Профессионалы требуются прежде всего в регионах, которые вступают в гонку за инвестпроекты в области технологий
Бизнес-софт
Помимо образовательных программ каждый НОЦ имеет свой технологический трек, сформированный в зависимости от специфики территории: климата, развития инфраструктуры, определенных научных направлений, преобладающего типа промышленности и тех потребностей, которые нужно закрывать. К настоящему времени создано уже более 500 технологий, в основном в области импортозамещения.
Самой перспективной нишей, в которой стали закрепляться почти все НОЦ, оказался бизнес-софт — программное обеспечение разного уровня сложности, от операционных систем и систем управления производством до компьютерных игр. По оценкам директора Фонда развития интернет-инициатив Кирилла Варламова, после ухода западных игроков на этом рынке высвободилось примерно 350 млрд рублей. Даже сейчас пустуют не все сектора: в самых больших и прибыльных давно осваиваются лидеры отечественного рынка — «Яндекс», «Лаборатория Касперского», «Инфосистемы Джет». Но для решения конкретных задач регионам — и их промышленным гигантам — удобнее работать на месте с НОЦ, точнее, со сформированными в вузах и НИИ командами, готовыми оперативно подключиться к исполнению любых заказов. Конечно, эти команды создают по большей части узкоотраслевые продукты; о большом бизнесе, рассчитанном на массовый спрос, — загрузке созданного ПО в компьютеры миллионов пользователей — речи не идет.
Один из наиболее интересных сегментов — автономные системы управления для грузовиков, работающих в районах активной добычи полезных ископаемых. Новые технологии призваны снизить транспортные расходы, увеличить производительность труда и заменить людей машинами на опасных участках. На Кузбассе на такие системы есть спрос: по заказу компании «СДС-Уголь» Кузбасский государственный технический университет (НОЦ «Кузбасс») создает ПО для карьерной техники грузоподъемностью 60, 90 и 120 тонн. В его основе 30 компьютерных программ для управления рулевой и тормозной системами, двигателями внутреннего сгорания, силовым оборудованием и другими агрегатами. В систему автоматизированного управления загружены карты технологических дорог, по которым беспилотный грузовик будет возить уголь.
На Урале команда ученых Горного института Уральского отделения РАН (НОЦ «Рациональное природопользование») разрабатывает систему навигации комбайна для безлюдной добычи калийных ископаемых. Комплект датчиков встраивается в конструкцию машины, считывая все параметры в трех плоскостях и контролируя передвижение от первой заданной точки к последующей. Сейчас уже решены задачи прямолинейного движения, юстировки системы навигации и обмена данными между смежными системами управления добычей. В тестовом режиме комбайн сумел проехать 300 метров в руднике, теперь специалисты отлаживают прохождение сложных криволинейных участков. В этом году планируется завершить опытно-промышленные испытания системы, а в следующем — наладить серийное производство.
Ценится сегодня и софт для умного растениеводства, позволяющий оптимизировать процесс выращивания сельскохозяйственных культур. Это целый комплекс решений: цифровые двойники растений, роевой искусственный интеллект, цифровой сервис по анализу засорения сельхозугодий и вегетации растений, транспортно-технологические роботы и многое другое. В регионах новые продукты уже тестируются. Так, адаптивная система земледелия — разработка Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (НОЦ «Инженерия будущего») — проходит испытания на полях «Талины», одного из крупнейших агрохолдингов страны. Установленное на дроне оборудование оценивает состояние зерновых. Камера проводит гиперспектральную съемку, что позволяет оператору увидеть посевы в оттенках зеленого, разбитых на составляющие спектра. А красным цветом показываются проблемные участки (например, с болеющими растениями). Это отечественное ПО призвано заменить импортные программы агроскаутинга. На юге России Ростовский завод сельхозмашин заказал НОЦ «МореАгроБиоТех» создание беспилотников для работы на виноградниках и в садах — для точного земледелия, выдачи карт-заданий по результатам аэросъемки, ультрамалого внесения средств защиты растений. Участники Западно-Сибирского НОЦ занимаются проектом аппаратно-программного комплекса, позволяющего оценить состояние почвы и наличие в ней питательных веществ, обнаружить паразитов и опасные для растений патогены. В масштабе страны при помощи систем умного земледелия предполагается на 20% сократить выбросы углекислого газа, на 30% снизить текущие и инвестиционные расходы и на 30% повысить производительность труда в сельхозотрасли.
Помимо продуктов для импортозамещения центры создают уникальное ПО, не имеющее аналогов в России. Так, Нижегородский НОЦ предлагает новый медицинский софт: мобильные платформы для отслеживания различных показателей здоровья, системы дистанционного контроля состояния сердца, а также приложение для выявления меланомы по фотографии (оно уже встроено в систему региональной медицины и привлекло международный интерес и инвестиции). Есть и грандиозный проект по созданию цифрового двойника города для фиксации его экологических параметров — цифровую платформу «Низкоуглеродный город» разрабатывает НОЦ «Енисейская Сибирь» по заказу правительства Красноярского края. С помощью такой платформы предполагается сократить выбросы парниковых газов и снизить энергопотери в сфере ЖКХ Красноярска на 20% к 2025–2026 годам, при этом модель может быть масштабирована и на другие мегаполисы. Подобных систем, направленных на экологизацию городов, в мире единицы.
Разработка НОЦ «Инженерия будущего»: малоразмерная газотурбинная установка для генерации электричества. Ее детали изготавливаются на лазерном 3D-принтере из отечественных металлических порошков
Источник: ПРЕДОСТАВЛЕНО НОЦ «ИНЖЕНЕРИЯ БУДУЩЕГО»
Заменим все
В других сегментах тоже есть близкие к реализации успешные проекты, хотя их не так много, как в нишах, напрямую связанных с внедрением искусственного интеллекта. Причем «вырастают» они не только в традиционно импортно ориентированных отраслях, но и в тех, где и раньше было удобнее и надежнее пользоваться российскими разработками. Например, уральские аграрии до санкций закупали клещей для биологического контроля вредителей за рубежом, а теперь вынуждены их импортозамещать. В интересах ООО «Агро-Актив», агродивизиона УГМК, ученые Тюменского государственного университета (Западно-Сибирский НОЦ) занялись поисками и нашли в Таджикистане ранее неизвестного и потенциально высокоэффективного хищного клеща из семейства фитосейид. Сейчас его испытывают во Всероссийском институте защиты растений как новый вид энтомофагов (клещей и насекомых, обеспечивающих контроль численности вредоносных членистоногих). К российскому клещу-защитнику уже проявили интерес сельхозпредприятия Ирана.
Наибольший скепсис в области импортозамещения вызывал запуск производств полного цикла, в которых нужно создавать не только конечный рыночный продукт, но и сложное многокомпонентное оборудование для его изготовления. В условиях форс-мажора оказалось, что и это возможно. Так, для изготовления российских биоразлагаемых имплантатов из магния, способных заменить исчезнувшие немецкие изделия, был образован консорциум из нескольких организаций. Сам имплантат разрабатывает Тольяттинский государственный университет (НОЦ «Инженерия будущего»), оборудование и оснастку для запуска участка — Институт проблем сверхпластичности металлов РАН (Уфа, Евразийский НОЦ), гидравлический пресс под технические требования для будущего производства — ООО «Оренпресс» (Оренбург), а волочильный стан для калибровки магниевого прутка — предприятие «Солар» (Самара). Серийный выпуск имплантатов и заготовок из магниевых сплавов должен начаться уже в следующем году. Предполагается, что новый продукт не только заместит потерянный импорт, но и вытеснит широко используемые титановые аналоги: магниевые имплантаты не нужно извлекать из кости после того, как она срастется, — выполнив свою функцию, они просто растворяются и выводятся из организма.
После общения с представителями разных научно-образовательных центров создается впечатление, что российские ученые способны разработать любые технологии в любых нишах. «Отправной точкой взаимодействия являются потребности реального сектора экономики. Есть задача — есть понятный и четкий ответ, — отмечает ректор Северного (Арктического) федерального университета им. М. В. Ломоносова (САФУ, НОЦ «Российская Арктика: новые материалы, технологии и методы исследования») Елена Кудряшова. — Лесным предприятиям нашего региона нужны саженцы для лесовосстановления — значит, наука поможет: ученые совместно со специалистами Архангельского ЦБК создали комплекс для выращивания саженцев хвойных растений с повышенным адаптационным потенциалом для северных территорий. Так же и с другими проектами».
Источник: НОЦ.РФ
Для решения конкретных задач регионам — и их промышленным гигантам — удобнее работать на месте с НОЦ, точнее со сформированными в вузах и НИИ командами, готовыми оперативно подключиться к исполнению любых заказов
Творческий кризис
Сложнее продвигаются «творческие» проекты НОЦ, связанные не с конкретными заказами индустрии, лишившейся значительной части импортных технологий, а с попытками найти новые рынки. Речь здесь идет о разработке лекарственных средств, призванных восполнить многочисленные пробелы в этой сфере, которые образовались за несколько десятилетий: биология и медицина, в отличие от физики и математики, не получали должной поддержки даже в СССР. В силу консервативности и зарегулированности отрасли новые препараты и сейчас внедряются крайне медленно, несмотря на то что объем рынка в отдельных сегментах оценивается в десятки миллиардов долларов. Один из примеров — поддержанный Нижегородским НОЦ проект по тераностике, созданию препаратов, которые одновременно являются средством и диагностики, и терапии (в мире это направление считается очень перспективным). Ученые ННГУ им. Н. И. Лобачевского и Университета Маккуори (Австралия) разработали комплекс из биосовместимых фотолюминесцентных наночастиц — нанофосфоров, которые позволяют визуализировать в тканях опухолевые очаги, и терапевтического модуля на основе радиоактивного иттрия-90. Препарат запатентован в России, но завис на стадии ожидания инвестиций: на доклинические и клинические испытания медикам требуется 250 млн рублей. Далека от рынка и созданная в ННГУ таблетированная форма инсулина с наночастицами хитозана, для тестирования которой, возможно, будет привлечен зарубежный партнер.
Чуть больше шансов имеют биодобавки, витаминизированные комплексы, чаи. Есть даже пример реализованной идеи — чай из осиновых листьев, содержащих салицин, который обладает противовоспалительным, обезболивающим и противоотечным эффектом. Технологию изготовления напитка разработали специалисты Ханты-Мансийской государственной медицинской академии (Западно-Сибирский НОЦ). Для производства чая открыто предприятие, реализующее 5000 упаковок продукта в год; назвать его большим и успешным бизнесом нельзя — скорее это демоверсия дошедшего до рыночной стадии оригинального научного проекта.
Елена Кудряшова полагает, что мог бы «выстрелить» рынок превентивного питания. По ее мнению, для создания продуктов, которые препятствовали бы развитию заболеваний и повышали качество жизни людей, идеально подходят арктические водоросли и дикоросы, которые ученые считают кладезем полезных ингредиентов. Но законодательно использование местных биоресурсов у нас не урегулировано, их как бы нет в правовом поле, поэтому производителям они неинтересны. Хотя сама идея функциональных продуктов питания не нова и получила развитие в Европе и Японии.
Источник: НОЦ.РФ
Даже в фундаментальном секторе отмечают, что плотность контактов с потенциальными предприятиями-клиентами растет и, возможно, в будущем конвертируется в совместные проекты
Сложность реализации проектов, направленных на достижение принципиально нового результата, а не на импортозамещение, отмечают и другие участники НОЦ. По словам директора Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (НОЦ «Инженерия будущего») Валерия Азязова, при посредничестве центра индустриальные партнеры, в том числе Объединенная судостроительная корпорация, Объединенная авиастроительная корпорация, «Алмаз-Антей», проявили интерес к технологиям улучшения эксплуатационных свойств металлообрабатывающего инструмента импульсным лазерным облучением и лазерного ударного упрочнения, но до заказов дело пока не дошло. Хотя даже здесь, в фундаментальном секторе, отмечают, что плотность контактов с потенциальными предприятиями-клиентами растет и, возможно, в будущем конвертируется в совместные проекты.
Главным звеном в технологической цепочке научно-образовательных центров становится индустрия: она формирует спрос и на разработки, и на высококвалифицированные кадры. Даже по первым результатам работы НОЦ понятно, что при наличии политической воли и финансовых ресурсов (а сейчас все это есть) можно создать прочную основу для технологического суверенитета. Потребности реального сектора экономики в хайтеке огромны: как десятилетия назад стране был необходим уголь, так сегодня нужны технологии. Можно ли их создавать стахановскими темпами — вопрос сложный: в отдельных нишах, например в сфере программного обеспечения, — однозначно да; в других будет много подводных камней. Но формирование устойчивых связей между образованием, наукой и индустрией при поддержке государства неизбежно приведет к «взрослению» отечественных высокотехнологичных рынков и, хочется верить, их росту за пределы стратегий импортозамещения.
В Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) впервые в России создан криогенный приёмник, способный детектировать радиосигналы на частотах 220-280 ГГц.
Его крайне высокая квантовая чувствительность и малый уровень потерь сигналов достигаются благодаря охлаждению до сверхнизких температур. В перспективе такие приборы предполагается использовать в работе как наземных, так и космических обсерваторий миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Миллиметровый диапазон длин волн очень важен для космических исследований. Химия космоса, поиск сложных органических молекул в межзвездной среде, исследования объектов ранней Вселенной и активных ядер галактик, – неполный перечень областей его применения. Именно в миллиметровом диапазоне были получены изображения теней сверхмассивных черных дыр в нашей Галактике и в галактике M87. Однако сегодня космос все ещё недостаточно хорошо изучен в миллиметровом диапазоне (от 30 ГГц до 300 ГГц). Отчасти это связано со сложностью изготовления приёмных антенн и детекторов, работающих на этих длинах волн, отчасти – с малой прозрачностью атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне. Поверхность таких антенн должна быть намного более точной по сравнению с обычным радиотелескопом. Для изготовления детекторов требуются элементы микроскопических размеров, поэтому технологически их изготовление – крайне сложная задача. Только несколько стран в мире способны изготовить миллиметровые приёмники достаточной для космических исследований чувствительности. Теперь в их число уверенно входит и Россия.
Новый российский приёмник работает на частотах 220-280 ГГц (длина волны около 1.2 мм). Для достижения сверхвысокой чувствительности его необходимо охладить до температуры кипения жидкого гелия – 4К. Благодаря столь низким температурам элементы микросхемы прибора, изготовленные из ниобия, переходят в сверхпроводящее состояние. Именно сверхпроводимость и делает параметры нового детектора уникальными. Она позволяет достичь квантовой чувствительности детектора и малых потерь сигналов в соединительных линиях.
«Стандартная полупроводниковая электроника ограничена по скорости и неэффективна для приема очень слабых терагерцовых сигналов», – пояснил руководитель Лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН Андрей Худченко. «Поэтому наш новый приёмник работает по гетеродинному принципу. Суть его в том, что измеряемый высокочастотный сигнал сравнивается с сигналом опорного генератора на чувствительном сверхпроводниковом элементе. Результат этого сравнения выпадает на низкие частоты порядка 1 ГГц и без потери качества обрабатывается стандартной электроникой. Более того, гетеродинные приёмники позволяют сохранять информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. А значит, из телескопов, оснащенных такими приемниками, можно создать интерферометр».
У детекторов этого типа есть ещё одна полезная особенность. Они обладают сверхвысоким частотным разрешением, что чрезвычайно ценно для космических исследований в миллиметровом диапазоне. Ведь именно здесь сосредоточено колоссальное количество узких спектральных линий, создаваемых сложными молекулами. Эти линии дают уникальную информацию о химическом составе, кинематике и физических параметрах межзвёздной среды.
Созданный в Астрокосмическом центре ФИАН прибор – самый чувствительный приемник высокого разрешения в своём диапазоне частот на сегодняшний день в нашей стране. Эта разработка стала возможна в результате плодотворного сотрудничества ИРЭ РАН, АКЦ и RUG. Все компоненты смесителя, «сердца приемника», изготовлены в России и соединены в работающий прибор в АКЦ.
Сейчас Лаборатория терагерцовых приборов и технологий продолжает работу по оптимизации приёмника и улучшению его базовых характеристик. В частности, в ближайшее время планируется кратно улучшить его чувствительность за счёт оптимизации параметров туннельных сверхпроводящих наноструктур и конструкции. Также ведется работа по созданию более сложной и продвинутой модификации приемника – детектора с разделением боковых полос. Эта версия прибора станет идеальным вариантом для использования как на борту космической обсерватории Миллиметрон, так и на наземных радиоастрономических телескопах.
В Астрокосмическом центре Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) впервые в России создан криогенный приемник, способный детектировать радиосигналы на частотах 220–280 ГГц. Его крайне высокая квантовая чувствительность и малый уровень потерь сигналов достигаются благодаря охлаждению до сверхнизких температур. В перспективе такие приборы предполагается использовать в работе как наземных, так и космических обсерваторий миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Приемник с квантовой чувствительностью Фото: Предоставлено АКЦ ФИАН
Миллиметровый диапазон длин волн очень важен для космических исследований. Химия космоса, поиск сложных органических молекул в межзвездной среде, исследования объектов ранней Вселенной и активных ядер галактик — неполный перечень областей его применения. Именно в миллиметровом диапазоне были получены изображения теней сверхмассивных черных дыр в нашей Галактике и в галактике M87. Однако сегодня космос все еще недостаточно хорошо изучен в миллиметровом диапазоне (от 30 ГГц до 300 ГГц). Отчасти это связано со сложностью изготовления приемных антенн и детекторов, работающих на этих длинах волн, отчасти — с малой прозрачностью атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне. Поверхность таких антенн должна быть намного более точной по сравнению с обычным радиотелескопом. Для изготовления детекторов требуются элементы микроскопических размеров, поэтому технологически их изготовление — крайне сложная задача. Только несколько стран в мире способны изготовить миллиметровые приемники достаточной для космических исследований чувствительности. Теперь в их число уверенно входит и Россия.
Новый российский приемник работает на частотах 220–280 ГГц (длина волны — около 1,2 мм). Для достижения сверхвысокой чувствительности его необходимо охладить до температуры кипения жидкого гелия — 4К. Благодаря столь низким температурам элементы микросхемы прибора, изготовленные из ниобия, переходят в сверхпроводящее состояние. Именно сверхпроводимость и делает параметры нового детектора уникальными. Она позволяет достичь квантовой чувствительности детектора и малых потерь сигналов в соединительных линиях.
«Стандартная полупроводниковая электроника ограничена по скорости и неэффективна для приема очень слабых терагерцовых сигналов,— пояснил руководитель лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН Андрей Худченко.— Поэтому наш новый приемник работает по гетеродинному принципу. Суть его в том, что измеряемый высокочастотный сигнал сравнивается с сигналом опорного генератора на чувствительном сверхпроводниковом элементе. Результат этого сравнения выпадает на низкие частоты порядка 1 ГГц и без потери качества обрабатывается стандартной электроникой. Более того, гетеродинные приемники позволяют сохранять информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. А значит, из телескопов, оснащенных такими приемниками, можно создать интерферометр».
У детекторов этого типа есть еще одна полезная особенность. Они обладают сверхвысоким частотным разрешением, что чрезвычайно ценно для космических исследований в миллиметровом диапазоне. Ведь именно здесь сосредоточено колоссальное количество узких спектральных линий, создаваемых сложными молекулами. Эти линии дают уникальную информацию о химическом составе, кинематике и физических параметрах межзвездной среды.
Созданный в Астрокосмическом центре ФИАН прибор — самый чувствительный приемник высокого разрешения в своем диапазоне частот на сегодняшний день в нашей стране. Эта разработка стала возможна в результате плодотворного сотрудничества ИРЭ РАН и АКЦ. Все компоненты смесителя, «сердца» приемника, изготовлены в России и соединены в работающий прибор в АКЦ.
Сейчас лаборатория терагерцовых приборов и технологий продолжает работу по оптимизации приемника и улучшению его базовых характеристик. В частности, в ближайшее время планируется кратно улучшить его чувствительность за счет оптимизации параметров туннельных сверхпроводящих наноструктур и конструкции. Также ведется работа по созданию более сложной и продвинутой модификации приемника — детектора с разделением боковых полос. Эта версия прибора станет идеальным вариантом для использования как на борту космической обсерватории «Миллиметрон», так и на наземных радиоастрономических телескопах.
Как пишет портал «Газета.Ru», исполняющий обязанности заведующего лабораторией терагерцовых приборов и технологий АСЦ ФИАН Андрей Худченко рассказал, что разработанный в России детектор терагерцового излучения для наблюдения за протозвездными облаками имеет толщину меньше человеческого волоса и работает при температурах, близких к нулю.
Человечество освоило практически все диапазоны электромагнитных волн — от километровых радиоволн до гамма-излучения с длиной волны менее нанометра. Однако в этом спектре долгое время существовал «зазор» — не удавалось сконструировать чувствительные и эффективные приборы, работающие в терагерцовом диапазоне (около миллиметровой длины волны). В то же время именно в миллиметровых волнах удобно наблюдать за межзвездной пылью и протозвездными облаками.
Специалисты АСЦ ФИАН впервые в России изготовили детектор на частоту 250 ГГц, чувствительность которого близка к теоретическому пределу. Прежде чем достичь чувствительного элемента, радиоволны должны пройти через ряд вспомогательных устройств.
Созданный в России детектор терагерцового излучения для наблюдения протозвездных облаков имеет толщину меньше человеческого волоса и обязан работать при температурах около абсолютного нуля. Об этом «Газете.Ru» рассказал Андрей Худченко, и.о. главы Лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН.
Человечество освоило почти все диапазоны электромагнитных волн, от километровых радиоволн до гамма-излучения с длиной волны менее одного нанометра. Однако долгое время в этом спектре существовал «зазор» — не удавалось сконструировать чувствительных и эффективных приборов, работающих в терагерцовом диапазоне (длина волны около миллиметра). При этом именно в миллиметровых волнах удобно наблюдать за межзвездной пылью и протозвездными облаками. Теперь специалисты Физического института Академии Наук впервые в России изготовили детектор для частоты 250 ГГц, чья чувствительность близка к теоретическому пределу. Прежде чем попасть на чувствительный элемент, радиоволны должны пройти серию вспомогательных устройств.
«Сигнал приходит извне, неважно, из лаборатории или из окна. Через специальное окно радиоволны попадают в [охлаждаемый гелием] криостат, далее системой отражающих зеркал фокусируется на рупоре. Этот рупор заводит весь сигнал в маленький металлический волновод размером 1х0,5 мм. По волноводу сигнал поступает к сверхпроводниковой микросхеме, которая и содержит детектор. Микросхема имеет размеры, сравнимые с человеческим волосом, и с помощью микрополосков [радиодеталь для передачи ЭМ-волн, — «Газета.Ru»] она перенаправляет излучение на чувствительный элемент. Он, в свою очередь, является туннельным переходом «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» с размером около микрона и туннельным барьером около нанометра. Именно он фиксирует все внешнее излучение», — рассказал Андрей Худченко.
В качестве сверхпроводника в детекторе выступает ниобий, охлажденный до температуры 4 кельвина с помощью жидкого гелия. Такой холод необходим, поскольку тела с температурой выше абсолютного нуля имеют некий уровень возбуждения, который создает шумы. Поэтому чем ниже рабочая температура, тем лучше, и при дальнейшем охлаждении (даже ниже 4 градусов) качество детектора потенциально может улучшиться.
Главным образом подобный детектор необходим для создания мощных радиотелескопов, аналогичных расположенному в Чили ALMA. Такие радиотелескопы необходимы для наблюдения за межзвездной материей, в том числе для картирования распределения воды в галактике и исследования молекулярных облаков, из которых образуются звезды.
В Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) впервые в России создан криогенный приёмник, способный детектировать радиосигналы на частотах 220-280 ГГц. Его крайне высокая квантовая чувствительность и малый уровень потерь сигналов достигаются благодаря охлаждению до сверхнизких температур. В перспективе такие приборы предполагается использовать в работе как наземных, так и космических обсерваторий миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Источник фото: ФИАН
Миллиметровый диапазон длин волн очень важен для космических исследований. Химия космоса, поиск сложных органических молекул в межзвездной среде, исследования объектов ранней Вселенной и активных ядер галактик – неполный перечень областей его применения. Именно в миллиметровом диапазоне были получены изображения теней сверхмассивных черных дыр в нашей Галактике и в галактике M87. Однако сегодня космос все ещё недостаточно хорошо изучен в миллиметровом диапазоне (от 30 ГГц до 300 ГГц). Отчасти это связано со сложностью изготовления приёмных антенн и детекторов, работающих на этих длинах волн, отчасти – с малой прозрачностью атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне. Поверхность таких антенн должна быть намного более точной по сравнению с обычным радиотелескопом. Для изготовления детекторов требуются элементы микроскопических размеров, поэтому технологически их изготовление – крайне сложная задача. Только несколько стран в мире способны изготовить миллиметровые приёмники достаточной для космических исследований чувствительности. Теперь в их число уверенно входит и Россия.
Новый российский приёмник работает на частотах 220-280 ГГц (длина волны около 1.2 мм). Для достижения сверхвысокой чувствительности его необходимо охладить до температуры кипения жидкого гелия – 4К. Благодаря столь низким температурам элементы микросхемы прибора, изготовленные из ниобия, переходят в сверхпроводящее состояние. Именно сверхпроводимость и делает параметры нового детектора уникальными. Она позволяет достичь квантовой чувствительности детектора и малых потерь сигналов в соединительных линиях.
«Стандартная полупроводниковая электроника ограничена по скорости и неэффективна для приема очень слабых терагерцовых сигналов, – пояснил руководитель Лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН Андрей Худченко. – Поэтому наш новый приёмник работает по гетеродинному принципу. Суть его в том, что измеряемый высокочастотный сигнал сравнивается с сигналом опорного генератора на чувствительном сверхпроводниковом элементе. Результат этого сравнения выпадает на низкие частоты порядка 1 ГГц и без потери качества обрабатывается стандартной электроникой. Более того, гетеродинные приёмники позволяют сохранять информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. А значит, из телескопов, оснащенных такими приемниками, можно создать интерферометр».
У детекторов этого типа есть ещё одна полезная особенность. Они обладают сверхвысоким частотным разрешением, что чрезвычайно ценно для космических исследований в миллиметровом диапазоне. Ведь именно здесь сосредоточено колоссальное количество узких спектральных линий, создаваемых сложными молекулами. Эти линии дают уникальную информацию о химическом составе, кинематике и физических параметрах межзвёздной среды.
Созданный в Астрокосмическом центре ФИАН прибор – самый чувствительный приемник высокого разрешения в своём диапазоне частот на сегодняшний день в нашей стране. Эта разработка стала возможна в результате плодотворного сотрудничества ИРЭ РАН и АКЦ. Все компоненты смесителя, «сердца приемника», изготовлены в России и соединены в работающий прибор в АКЦ.
Сейчас Лаборатория терагерцовых приборов и технологий продолжает работу по оптимизации приёмника и улучшению его базовых характеристик. В частности, в ближайшее время планируется кратно улучшить его чувствительность за счёт оптимизации параметров туннельных сверхпроводящих наноструктур и конструкции. Также ведется работа по созданию более сложной и продвинутой модификации приемника – детектора с разделением боковых полос. Эта версия прибора станет идеальным вариантом для использования как на борту космической обсерватории Миллиметрон, так и на наземных радиоастрономических телескопах.
Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН
