Физика

«Наука вне рамок восьмичасового рабочего дня»

Высокий порядок топологических изоляторов

Из личного архива Дмитрия Жирихина

О необходимости перемены мест и научных направлений, о том, как метаматериалы позволят сделать самолет невидимым, а топологическая защита усовершенствует компьютеры, и о структуре кагомэ в интервью Indicator.Ru рассказал аспирант Университета ИТМО Дмитрий Жирихин.

В декабре Дмитрий стал одним из победителей конкурса на лучшее за год исследование российских ученых «Открытие года», организованного нашим порталом вместе с проектом «Я в науке». Эксперты признали его статью о топологических состояниях высокого порядка лучшей в молодежной номинации. Эта работа попала, кстати, и на обложку выпуска Nature Photonics.

— Дмитрий, как и почему вы выбрали науку?

— Впервые физика заинтересовала меня в школе. Когда она у нас появилась как новый предмет в седьмом классе, мне не понравилось, и однажды я получил по ней двойку или тройку, уже не помню точно. Решил, что нужно с этим что-то сделать, и засел на неделю, прошел весь учебник. Целый год у меня, что называется, от зубов отскакивало, я все задачки решал очень быстро. Так и начался интерес.

После школы я пошел в петербургский Политех на радиофизический факультет, кафедру квантовой электроники. У нее был широкий спектр задач — от лазеров до МРТ, в обучении смешивались теория и практика, это была отличная база. Мне хотелось заниматься практическими задачами, и как-то я пошел на собеседование в Крыловский научный центр, который занимается разработками для подводных лодок и другой военной техники. На работу меня не взяли, потому что я еще был студентом бакалавриата, но направили в ИТМО к моему первому научному руководителю Станиславу Глыбовскому. Мы стали заниматься метаматериалами и метаповерхностями.

— Чем вас привлекли эти темы?

— Тем, что это относительно молодая область в физике. Что такое вообще метаматериалы? Это искусственная структура из периодически повторяющихся одинаковых элементарных ячеек, которая обладает электромагнитными свойствами, зачастую недостижимыми в природных материалах. Например, отрицательным показателем преломления. Изменяя геометрию элементарной ячейки, можно получать любые электромагнитные свойства. Я изучаю свойства метаматериалов (метаповерхностей) в микроволновом частотном диапазоне, в котором длины волн сопоставимы с бытовыми объектами, и могу делать элементарные ячейки из разных материалов. Меня привлекла эта свобода — меняю одно, получаю необычное свойство, меняю другое, получается что-то еще. И я решил перейти в ИТМО после Политеха, потому что лаборатория Павла Белова, из которой сейчас уже вырос физико-технический факультет, этим уже плотно занималась.

В магистратуре у Глыбовского я занимался поглощающими структурами. Например, самолет из обычных материалов можно засечь с помощью радара, уловив отраженные от него волны. Но если покрыть его поглощающими метаповерхностями, отражение сигнала будет слабее. Можно даже сделать полностью невидимый самолет.

— А как вы перешли к изучению топологических состояний в метаповерхностях?

— На втором курсе магистратуры меня позвал в свой проект Алексей Слобожанюк. Я был поражен этим проектом, я никогда не думал, что такое возможно: в топологически защищенных электромагнитных структурах бегущая волна не отражается от дефектов вообще. Она огибает на своем пути все препятствия и при этом проходит с очень малыми потерями! С помощью таких структур можно будет сделать устойчивые компоненты будущих оптических чипов, которые заменят их стандартные аналоги и сделают компьютеры еще быстрее. Это очень интересная и динамично развивающаяся область исследований современной физики, которая может привести к созданию совершенно новых эффективных устройств, и я, естественно, согласился перейти в этот проект и поступил в аспирантуру, чтобы продолжать заниматься этой темой.

— Что именно определяет эти необычные топологические свойства?

— Чтобы ответить, надо объяснить, что такое топология. Вот есть у нас, например, вилка, и в ней нет никаких дырок. Мысленно мы можем ее сжать, превратить в шар, и дырок не появится. А у кружки есть дырка в ручке, и ее путем трансформации я могу превратить в кольцо, но не в шар. Вот эта самая простая характеристика (число дырок), которая не меняется при непрерывной деформации объекта, в топологии называется инвариантом. Если инвариант равен нулю, это топологически тривиальная структура, если нет — нетривиальная.

Применяя этот математический аппарат в физике, ученые вывели некоторые инварианты. Они связаны с особенностями элементарной ячейки в структуре нашего метаматериала. Если мы путем расчетов найдем инвариант для объекта и выясним, что он не равен нулю, у объекта будут проявляться необычные свойства.

Реальных объектов с топологическими свойствами не так много. Прелесть того, чем занимаемся мы, в том, что мы проводим не ток по определенным материалам, как в физике конденсированного состояния, а электромагнитные волны, распространяющиеся по искусственным материалам, свойства которых мы полностью контролируем. Мы можем, грубо говоря, руками собрать себе любую структуру.

— А что в большей степени мотивирует работать в этой области — ее неизведанность или перспективы для практики?

— Будущее применение этих открытий. Физику можно изучать по-разному. Есть области, в которых можно исследовать интересные эффекты, не задумываясь, нужно это или нет. Есть области, где нужна не столько наука, сколько оптимизация: изменить характеристики какой-то антенны, улучшить чувствительность МР-томографов и так далее. Это нужные задачи, но в них нет новой физики. С моей точки зрения, у нас промежуточная ситуация. Это очень интересная новая физика, когда мы применяем математические методы топологии к физическим системам и на этой основе открываем новые явления. И в перспективе эти явления позволят создать новые устройства для оптических технологий, квантовых и суперкомпьютеров и чего угодно еще. В будущем, когда я окончу аспирантуру, хотелось бы сделать на основе этих работ реальное устройство.

— Расскажите подробнее о работе, с которой вы выиграли наш конкурс.

— Начать надо с того, что топологическая фотоника развивается стремительными темпами, и в 2018 году в нашей науке появилось еще одно новое открытие — топологические изоляторы высокого порядка. Вообще, топологические изоляторы — это структуры, которые ведут себя в объеме как изоляторы, провести энергию сквозь них нельзя, но на поверхности это проводник. Электромагнитные волны по нему проходят, причем топологические свойства позволяют огибать все препятствия на границе. Так ведут себя топологические изоляторы первого порядка. Дальше рассмотрим, например, кубик. Если он — топологический изолятор второго порядка, проводить у него будет не вся поверхность, а только ребра. А есть и следующий порядок, когда энергия локализуется только на углах структуры.

И в 2018 году появились первые теоретические работы о том, что возможно разработать такие системы, в которых электроны, фотоны или другие нужные частицы будут проходить по отдельным векторам или запасаться всего в нескольких точках. Начались первые эксперименты, и мы задались целью исследовать в фотонике и в электромагнитном диапазоне структуры кагомэ. Это японское название особого способа плетения, такие структуры состоят из правильных шестиугольников. В метаповерхности каждая элементарная ячейка-шестиугольник будет состоять из керамических цилиндров. Приближая или отдаляя цилиндры друг от друга, мы можем менять топологические свойства всей структуры, получать локализацию топологических состояний на углах. Это было описано в теории, а мы решили поставить эксперимент.

Мы смоделировали структуру, и эксперимент показал все топологические состояния, предсказанные теорией: когда проводником является вся поверхность, ее края, углы ячеек. Но в одном из диапазонов мы обнаружили еще одно совершенно новое состояние, локализованное на двух цилиндрах в соседних к углу ячейках, ранее не предсказанное теоретически.

— Как это неожиданное открытие изменило вашу работу?

— Нужно было понять, что это такое, и объяснить теоретически. Наш коллега Максим Горлач усовершенствовал теорию. Говоря упрощенно, цилиндры в структуре взаимодействуют между собой. Раньше предполагалось, что это происходит только между ближайшими элементами. Такое предположение используется в большинстве работ и хорошо описывает физические явления. Но в нашем случае этого оказалось недостаточно, и, когда мы учли в модели взаимодействие не только ближайших, но и «следующих ближайших» цилиндров, она показала такие новые состояния. Получается, мы открыли новые топологические состояния высокого порядка. Пока это больше фундаментальное открытие, но в перспективе эти новые состояния вполне можно будет применять.

— Сейчас вы продолжаете исследовать эти явления?

— Да, изучаем их в трехмерных объектах. Параллельно я занимаюсь смежными проектами с топологическими изоляторами и работаю с другими геометриями структур. Работаем много, на выходных и вечерами. Наука вне рамок восьмичасового рабочего дня, и невозможно исследовать что-то очень быстро. Это будет значить, что ты ничего не понял и поспешил опубликовать.

— А как это понимание сочетается с требованиями к публикационной активности?

— Конечно, приходится много времени тратить не только на исследования, но и на отчеты и последующие статьи. В основном проекты делаются целой группой специалистов. Благодаря этому появляется возможность делать много проектов сразу и разделять работу: кто-то делает теорию, кто-то моделирование, кто-то эксперимент, идеи обсуждаем все вместе. Такое разделение труда позволило сделать скачок в продуктивности. Для публикационной активности это плюс. Важно отметить, что у нас на факультете не принято вариться в собственном соку, мы открыты для всех и пытаемся найти коллабораторов и в российских, и в зарубежных вузах.

— Как складывается взаимодействие с зарубежными учеными?

— Особенность Нового физтеха в том, что многие ездят в командировки и учатся в двойной аспирантуре. Принято ехать не наобум, а к кому-то, с кем мы уже работаем. Я в 2018 году выиграл стипендию Президента РФ для обучения за рубежом. Она позволяет учиться практически в любом вузе мира, в первую очередь, конечно, гранты дают на обучение в лучших вузах. Я поехал в США в Городской университет Нью-Йорка к профессору Александру Ханикаеву, одному из ведущих ученых в области топологической фотоники. Там мы делали нашу статью в Nature Photonics, дорабатывали и эксперимент, и теоретическую часть. Я рад, что есть такие возможности учиться у экспертов с мировыми именами.

Для меня поездка была полезным опытом знакомства с другой культурой. Когда я вернулся, у меня начали появляться разные идеи, а до этого я выполнял в основном то, что говорил научный руководитель. Думаю, работа в другой культуре меняет жизнь во многих планах, в том числе в плане генерации идей. Дома чего-то подобного можно добиться, только читая очень много книг и осознавая прочитанное. Более того, сравнение жизни на Родине и за ее пределами позволяет оценить преимущества и недостатки систем, привнести этот уникальный опыт для развития факультета и системы в целом.

— Было ли у вас желание продолжить карьеру за рубежом?

— У меня есть возможности уехать работать за рубеж по окончании аспирантуры, однако на данный момент я принял решение остаться в России. В целом у нас на Новом физтехе создана благоприятная обстановка для развития науки и самореализации. Мои коллеги занимаются всем от теоретической физики до прикладных задач оптики и биофизики, это огромный спектр научных направлений и возможностей. Самое важное, что у нас есть свобода. Нет никакого «Я не люблю свою работу, хожу посидеть с девяти до шести». Выбор своей области может быть трудным, и ты не сразу к нему придешь, но главное, что он есть. И есть возможности для междисциплинарного сотрудничества.

— Принято ли менять научное направление, переходить к новым темам в такой разнообразной среде?

— За рубежом есть хорошая практика каждые пять лет менять область деятельности. Я бы сказал, лучше не полностью менять, а дополнять, когда ты не бросаешь свои знания и идешь в какую-то случайную область, а ищешь приложения своим знаниям, пересечения с другими науками, которые позволят тебе развить собственный кругозор. Вообще, все зависит от подхода, если всю жизнь ты занимался одной областью, тяжело будет переключиться. Это не значит, что так делать нельзя, и я уверен, что люди становятся мировыми экспертами, если занимаются одной узкой областью очень долго. Хотя, с другой стороны, мне кажется, что современная наука требует от нас как можно более широкого кругозора, так как большинство масштабных проектов становятся все более междисциплинарными. Поэтому если изначально принимается подход со сменой научных направлений, то достаточно быстро можно научиться переключаться. Однако, чтобы эффективно менять направление, нужно найти себе ментора, специалиста в новой для тебя области. Он может объяснить на первых порах, что важно в этой новой области, чтобы потратить на это существенно меньше времени.

— Наш конкурс назывался «Открытие года», а какое открытие вы считаете самым значимым в вашей области за последнее время?

— Это теоретическая работа в Science по открытию топологических изоляторов высокого порядка. Это фактически рождение новой области, которая сейчас очень быстро развивается, все на нее обращают внимание. Это создает огромную конкуренцию, и мы как факультет готовы в ней участвовать на международном уровне.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.