Лазеры в тренде
«То, чем мы сейчас занимаемся, находится на стыке лазерной физики и физики твердого тела: нам интересно взаимодействие лазерного излучения с твердыми телами, например, металлами», — рассказывает Хусяинов. Все твердые тела состоят из атомов, соединенных друг с другом сильными связями, образующими кристаллическую решетку. Атомы в ней могут колебаться. Эти колебания происходят на очень коротких временных отрезках, которые отслеживаются с помощью специальной техники — сверхбыстрых лазеров, к примеру, фемтосекундных.
Фемтосекунда — это очень-очень мало. Мы знаем, что длительность человеческого моргания — от 100 до 400 миллисекунд. Фемтосекунда в триллиард (тысячу триллионов) раз меньше одной миллисекунды. Чтобы зафиксировать это время, появились фемтосекундные лазеры, с помощью которых мы, можно сказать, останавливаем время и успеваем «засечь» очень краткосрочный процесс.
Исследования сверхбыстрых динамических процессов сейчас находятся на пике интереса ученых. Открытие фемтосекундного лазера сравнивают с открытием электронного микроскопа. Если микроскоп позволяет нам видеть очень маленькие детали любых веществ, то лазер помогает исследовать процессы, которые происходят на очень коротких временных диапазонах.
Современные вызовы времени
Самое быстрое, что есть в мире, — свет. Скорость света — самая большая скорость, которую можно достичь. Именно с помощью света мы можем передавать информацию. Это происходит через оптоволокно — такой интернет самый быстрый. Но дело в том, что при передаче на большие расстояния лазер в оптоволокне затухает. Нам же необходимо его усилить и отправить сигнал дальше. Для этого есть специальные устройства, которые называются сверхбыстрыми оптическими коммутаторами. Созданием материалов для них и занимаются Хусяинов с коллегами.
По сути, лазерный луч, то есть свет, нужно перевести в электронный сигнал. Потом этот сигнал направить в лазер и попытаться отправить его дальше. Также ученые ищут и другие материалы, в которых передача света к электронам происходит наиболее быстро.
Еще одна область интересов — генерация и эмиссия терагерцового излучения. Что это такое? Это электромагнитная волна, но в отличие от света, который тоже представляет собой волну, это излучение находится в другом участке электромагнитного спектра — между микроволновым и инфракрасным излучениями.
Почему именно терагерцовое? Если мы посветим коротким фемтосекундным лазерным излучением на полупроводник, в нем резко возрастает концентрация электронов, а потом так же редко спадает. Этот спад происходит в очень короткий промежуток времени, который измеряется в пикосекундах (пикосекунда — это одна триллионная доля секунды). Такое короткое время соответствует одному терагерцу. Получается эмиссия терагерцового излучения при взаимодействии полупроводников с фемтосекундным излучением.
Сейчас Хусяинов также занимается спинтронными эмиттерами — излучателями электромагнитного поля в терагерцовом частотном диапазоне. Дело в том, что есть такой класс магнитных материалов как ферромагнетики — спины (вращательные движения) их электронов направлены параллельно. Такие материалы при облучении фемтосекундными импульсами позволяют генерировать терагерцовое излучение. С помощью спинтронных эмиттеров можно управлять его поляризацией. Это новая интересная тема, которая будет в тренде у физиков еще лет пять.
Потенциал замены рентгена
Чем интересно терагерцовое излучение? Дело в том, что оно проходит сквозь почти все материалы: его не пропускает лишь металл и плохо пропускает вода. То есть оно вполне может прийти на смену рентгеновскому излучению — не очень полезному для живых организмов. Например, терагерцовые приборы можно использовать для обеспечения безопасности в аэропортах — сканировать ими людей.
Терагерцовое излучение можно также использовать как химический анализатор — чтобы обнаружить в жидкости, например, взрывоопасные вещества. Дело в том, что терагерцовое излучение помогает засечь частоту колебаний некоторых химических молекул. Такой метод реально использовать и в стоматологии: если визуально кариес в зубе не обнаружить, то можно просветить его терагерцовым излучением и увидеть.
Еще одно практическое применение — измерение толщины краски. Обычные толщиномеры работают только с металлом, терагерцовый можно будет применять и при работе с пластиком. На самом деле, у этой технологии большое будущее.
Многое из вышеупомянутого уже применяется в деле, а ученые пытаемся улучшить характеристики. Ищут материалы, которые позволят более эффективно преобразовывать оптический луч в терагерцовый.
«Выживаемость» лазера
Все фемтосекундные лазеры живут не очень долго — пять-шесть лет, в зависимости от мощностей, которых достигают. Чем выше мощность, тем меньше срок службы лазера. Почему так происходит? Дело в том, что со временем материалы, из которых сделаны приборы, деградируют. Они могут, например, набирать в себя воздух: соответственно, когда через них проходит большая плотность энергии, они разрушаются, прожигаются.
«Как-то мы пришли в университет к коллегам, и я пожаловался, что у нас сломался лазер. Тогда один коллега с понимающей интонацией мне ответил: «Да, все они от нас уходят...» — потому что это общая проблема таких устройств. Всего у нас в лаборатории было пять лазеров. Два уже вышли из строя, три пока еще держатся, но тоже не в идеальном состоянии. Самый мощный лазер мы скоро сдадим в ремонт. Так как это основной инструмент наших исследований, пока его будут чинить, мы будем писать научные статьи», — сетует Хусяинов.
Свет, влажность, температура
Чтобы лазер долго оставался работоспособным, его нужно содержать в определенных условиях. Температура в помещении не должна колебаться, но находиться на постоянном уровне — 19–20ºC. Предпочтительная влажность — не ниже 40%. Человеку в таких условиях не очень комфортно находиться, но что поделать. Также нужно следить за всеми параметрами лазера, например, за током в накачке.
«Мы работаем и в офисе, и в лаборатории, — говорит ученый. — В офисе занимаемся бумажной работой: пишем статьи, готовим отчеты, а в лаборатории — непосредственно наукой. Там, кстати, нет окон — некоторые приборы довольно чувствительны. Из-за того, что время за исследованиями пролетает незаметно, а окон, которые напомнили бы об окончании светового дня, нет, бывает, что засиживаемся за приборами больше положенного. В какой-то момент смотришь на часы, а рабочий день, оказывается, давно закончился».
Из студента в ученые
О настоящей науке многие студенты начинают задумываться, когда понимают, как интересно работать в лаборатории. Сам Хусяинов выбрал физико-математическое направление, потому что считал его перспективным. Но каким именно он хотел быть ученым и чем конкретно заниматься, конечно, не знал. А потом он попал в лабораторию фемтосекундой оптики, увидел, что там творится настоящая наука, заинтересовался и вдохновился. Лаборатория мотивировала его сдать один предмет, по которому никак не получалось отчитаться — и сдал, потому что хотел попасть к ребятам, которые занимались исследованиями.
«Чаще всего к нам приходят студенты 3–4 курсов. Теперь уже я сам учу их, как работать с лазером. Несколько раз показываю, как включать-выключать прибор и проводить измерения, потом студент несколько раз повторяет манипуляции при мне. Если все хорошо, то его уже можно оставлять работать самостоятельно. Однако техника безопасности превыше всего, поэтому, несмотря ни на что, в лаборатории всегда должны находиться как минимум два человека. Работать следует только по инструкции и обязательно все перепроверять. Например, в пятницу вечером я записываю себе видео о том, что точно выключил прибор. Если вдруг буду в дороге домой сомневаться, просто пересмотрю», — рассказал ученый.
Роль случайности в науке
Конечно, в научных открытиях есть доля случайности, говорит Хусаинов: «Я уже не говорю о каких-то действительно великих вещах, даже мы в лаборатории сталкивались с подобным. Например, мы занимаемся терагерцовой микроскопией временного разрешения, собираем установку. Перед запуском ее обязательно нужно откалибровать — правильно сопоставить все элементы. Если хоть какой-то из них не займет свое место, эффекта мы не увидим. Иногда можем целую неделю настраивать установку, а недавно запустили без каких-либо дополнительных настроек с первого раза. Понятно, что тут и опыт играет роль, но и доля случая есть!»
Будущее сверхбыстрых процессов
Задача физиков, работающих с фемтосекундными лазерами — уменьшать длительность импульса. Достичь показателя меньше, чем 30 фемтосекунд — дойти до аттосекунд. В идеале — создать аттосекундные лазеры. Но это задача на будущее, потому что для ее достижения нужно еще тщательнее изучать всевозможные материалы.
Что это даст простым людям? Ученые смогут понять, как ускорить наши повседневные устройства — например, компьютеры. Мир разгоняется, темп жизни очень высокий, техника не должна отставать. Наука недалека от создания оптических компьютеров, которые будут выполнять действия на скорости света. В будущем мы сможем работать не на электронных, а на фотонных устройствах, которые будут исполнять команды мгновенно. Терагерцовое излучение, например, планируют использовать в 5G-сетях. Не знаю, появятся ли полноценные фотонные компьютеры в ближайшем десятилетии, но примеры создания таких устройств уже есть — правда, пока они получаются довольно громоздкими. Нужно будет усовершенствовать их и сделать компактными как наши современные смартфоны.