Графен в один атом. Челябинские ученые придумали «наноприставку» для квантового компьютера

Научное открытие преподавателя кафедры радиофизики и электроники физического факультета ЧелГУ Дмитрия Кузьмина и его научного руководителя заведующего кафедрой Игоря Бычкова уже высоко оценено на международном уровне. С автором изобретения Дмитрием Кузьминым, недавно защитившим кандидатскую диссертацию, мы встретились перед его поездкой в Корею, где он выступит с докладом о прорывном ноу-хау.

Плазмонная волна

— Как я слышал, первые результаты ваших исследований уже опубликованы в мировых научных журналах...

— Это так. Получив грант Российского фонда фундаментальных исследований в области нанофотоники и наноплазмоники, мы сделали интереснейшие открытия. Неслучайно ими заинтересовались зарубежные научные журналы, принимающие статьи только по исследованиям, которые еще никто в мире не опубликовал. Каждая статья проходит экспертизу, на нее пишется две-три рецензии, а потом выносится общее решение редакции.

К примеру, в журнале Scientific Reports группы СМИ Nature вышла статья о поперечных электрических плазмонных модах цилиндрического волновода на основе графена. А в Journal of Magnetism and Magnetic Materials — статья, где мы показали возможность генерации гиперзвука за счет магнитострикционного механизма. Также в течение 2015-2016 годов были опубликованы три статьи в журнале Optics Letters по плазмонной тематике. Сейчас на рассмотрении редакции журнала Nano Letters находится наша научная статья «Гигантское фарадеевское вращение плазмонных мод высокого порядка в нанопроводах, покрытых графеном».

— В чем суть вашего открытия?

— Мы заинтересовались тем, как ведет себя световая волна, если ее пропустить вдоль графена — особого наноматериала толщиной в один слой атомов. Это одна из форм углерода. Ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающие в Великобритании, впервые отделившие от обычного графита микрослой графена, в 2010 году были удостоены Нобелевской премии. Оказалось, что световая волна, проходя вдоль поверхности графеновой нанотрубки, вызывает колебания плазмы электронов и может распространяться только в связанном состоянии (как плазмонная волна). Мы выяснили, что если сердцевина трубки будет из магнитного материала, будет происходить вращение распределения энергии вдоль оси распространения волны. Тем самым можно добиться поворота до 100 градусов! Этот эффект получил название «гигантское фарадеевское вращение». Причем этим поворотом можно управлять — как с помощью магнитного поля, так и изменяя свойства графена, внося в него различные добавки или же воздействуя внешним электрическим полем.

Наномост в квантовый мир

— Возможно ли для вашего ноу-хау практическое применение?

— Его потенциальная сфера применения широка. Ведь сегодня развитие компьютеров во многом сдерживает необходимость увеличивать их размеры для обработки больших массивов информации. А наше изобретение позволяет миниатюризовать устройства для обработки, записи и считывания информации, повысить их емкость. И хотя таких графенных «приставок» пока в мире нет, современный уровень науки и техники позволяет их изготовить. Главный плюс — небывалая компактность, поскольку длина электромагнитной (световой) волны в плазмонных структурах, таких как графен, уменьшается почти в 100 раз!

Такая особенность характерна для терагерцового диапазона частот, который раньше был как бы в тени большой науки. Напомню, что у электромагнитной волны есть видимый, инфракрасный и микроволновый диапазоны, но между двумя последними есть еще один, промежуточный — терагерцовый. Он уже используется в медицине — для исследования структуры тканей, в спектроскопии — для изучения свойств материалов, а также в тепловизорах и в оборонной промышленности. Но спектр его применения с учетом наших открытий, я уверен, гораздо шире.

— А применимо ли это открытие для будущего квантового компьютера?

— На мой взгляд, это вполне возможно. В квантовом компьютере информация будет храниться не в битах, а в кубитах, находящихся в двух состояниях одновременно, и для обработки информации на наноуровне можно использовать плазмонный эффект, создать такие устройства на основе графена.

В традиционных средствах коммуникаций информация передается с помощью электронов. Но почему бы не заменить их на плазмоны (на языке квантовой механики это квант плазмонной волны) или фотоны и тем самым выйти на квантовый уровень?

«Плазмонный» интернет?

— В каких еще сферах можно применить плазмонный эффект?

— Особенность графенных структур в том, что в них возможно возбуждение совершенно других мод — способов колебаний. В металле колебания электронов происходят в направлении распространения электромагнитной волны, а в графене может быть и «поперек». Одно из перспективных направлений — оптоэлектроника. Немаловажно то, что электроны в графене могут возбуждаться в ближнем инфракрасном диапазоне частот, в которых работают телекоммуникации: оптоволокно, интернет... А значит, для систем связи можно создать устройства для обработки информации, работающие на совершенно новом принципе. Они будут малы по размеру, но способны обрабатывать колоссальные объемы, то есть намного улучшится качество связи. Причем могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

— А есть ли связь между графенным открытием и магнетизмом?

— В январе этого года в журнале Optics Letter вышла наша статья об особенностях распространения плазмонной волны по нанопроводу, которая создает постоянное магнитное поле. Это свойство можно использовать для намагничивания материала на наноуровне. Причем вихревое магнитное поле позволяет управлять возникающими при этом скирмионами — магнитными мини-вихрями, которые тоже можно применить для хранения и обработки информации. Тем самым графен может служить и для создания принципиально нового способа, ускоряющего этот процесс.

А в другой статье, о поведении плазмонов в двух параллельных плоскостях, мы сделали вывод об их «переключении» с верхней на нижнюю и наоборот, что в перспективе позволит контролировать процесс распространения плазмонной волны.

— На стыке ваших исследований немало совершенно новых тем, и в одиночку такую научную ношу не потянуть...

— Поэтому мы работаем командой. В числе соавторов нашего ноу-хау наряду с профессором ЧелГУ Игорем Бычковым есть и ученый с мировым именем, заведующий лабораторией московского Института радиоэлектроники им. Котельникова РАН Владимир Шавров. Кроме того, сотрудничаем с зарубежными коллегами: французским профессором из университета города Ле Ман Василием Темновым, известным авторитетом в области акустомагнитоплазмоники. Он один из первых в мире, кто предложил совместить эти смежные направления. Мы подали совместную заявку на получение российско-французского гранта на продолжение исследований. В числе наших соавторов и профессор из Сеульского университета Хьен-Ин Ли, крупный специалист в сфере фотоники. Он исследует так называемый спин света — характеристику, которая поможет научиться управлять наночастицами при помощи световой волны.

— Сфера применения вашего открытия далеко не исчерпана? Какие его «завтрашние профили» обсуждаются на международном уровне?

— Графен можно применять для детектирования — обнаружения различных чужеродных объектов, в том числе в биологических структурах, например, в молекуле ДНК. Плазмоника может найти применение и в онкологии: если металлические наночастицы переместить в опухоль и облучить лазером, они будут нагреваться и прижигать раковые клетки. Лечение будет проходить без хирургического вмешательства. Но здоровье, долголетие лишь одна из составляющих научного поиска. Словом, фундаментальная наука вовсе не абстрактное понятие, она многое может сделать для человека, стремящегося постигнуть тайны бытия.