Алауди Демисултанов

Многообещающий графен: как обладатель гранта IEEE MTT работает над новым источником терагерцев

Сотрудник Лаборатории терагерцовой биомедицины в Международном институте фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Алауди Денисултанов недавно защитил магистерскую диссертацию и вернулся с конференции IMS-2016, которая проходила в Сан-Франциско. Лауреат стипендии MTT-s получил диплом из рук президента IEEE MTT. Сам Алауди вместе с коллегами Егором Седых и Петром Демченко под руководством Михаила Ходзицкого продолжает работу над компактным и эффективным источником терагерцового излучения на основе графена. В скором будущем он пригодится не только в медицине, но и может подарить миру невероятно скоростной интернет.

«На гранты подаешь идею, но в процессе ее реализации понимаешь, что грант — это лишь начало, после которого предстоит еще море работы. Ранее я и не подозревал, за какое трудное дело взялся», — рассказывает Алауди Денисултанов.

В теории

По словам Алауди, изначально на грант IEEE MTT претендовал проект разработки генератора терагерцового излучения на основе графена. К слову, этой проблемой занимаются во многих профильных университетах, поэтому среди ученых существует значительная конкуренция. Ее актуальность продиктована тем, что на сегодняшний день большинство источников терагерцев представляют собой дорогие, громоздкие устройства, которые требуют специализированного обслуживания. В качестве источников могут выступать фотопроводящие антенны, лампы обратной волны, квантово-каскадные лазеры, нуждающиеся в криогенных температурах для генерации терагерцового излучения. Есть и такое оборудование, как лазер на свободных электронах: устройство занимает целую комнату и стоит миллионных вложений. Одним из наиболее оптимальных источников терагерцев являются фотопроводящие антенны, которые относительно небольшие по размерам и подходят для решения многих задач.

Однако во всех перечисленных устройствах есть определенные трудности с генерацией терагерцового излучения. Цель Алауди — создание универсального терагерцового источника на графене. В ходе работы Алауди заметил изменение проводимости графена при оптической накачке — процессе, при котором графен «бомбардируется» каким-либо излучением: в данном случае графен решили «расстрелять» инфракрасным излучением. При увеличении мощности оптической накачки начала происходить интересная динамика проводимости графена — она стала отрицательной. В свою очередь, отрицательная проводимость означает генерацию, что подтверждается уравнениями диэлектрической проницаемости. Таким образом, в ходе эксперимента с помощью графена и инфракрасного излучения была произведена генерация терагерцев.

Графен. Источник: mplast.by
Графен. Источник: mplast.by

«Собственно, этот результат я и включил в свой отчет. Теперь передо мной стоит задача варьировать значения температуры и магнитного поля, чтобы посмотреть, влияют ли они на генерацию, и если влияют, то насколько. Это необходимо и для того, чтобы понимание свойств графена было более четким. Сейчас мы имеем очень много статей, теорий и мнений об этом материале, и все они друг другу противоречат. А ведь графен открыли больше десяти лет назад, начав активно работать с ним. И до сих пор есть множество противоречивых исследований и результатов», — заметил молодой ученый.

По словам Алауди Денисултанова, основой для его магистерской диссертации, которая посвящена исследованию генерации терагерцового излучения, стали исследования и статьи уважаемого японского профессора Таиши Отсуджи. В процессе он пытался с их помощью понять, как меняется проводимость графена в процессе оптической накачки. Однако при изучении некоторых статей молодой ученый с удивлением обнаружил ряд неточностей и даже ошибок, которые приходилось править. Кроме того, для скрупулезной работы над свойствами графена Алауди была нужна крепкая теоретическая база, которой до сих пор нет. Чтобы заполнить пробелы в исследованиях, молодой ученый намерен уехать по программе двойной аспирантуры в Японию к самому Таиши Отсуджи. Есть и другой вариант: отправиться на учебу в Манчестерский университет к одному из первооткрывателей графена, Нобелевскому лауреату Константину Новоселову. Там, по словам Алауди Денисултанова, есть прогрессивное и удобное оборудование для решения его задач.

Константин Новоселов. Источник: wikipedia.org
Константин Новоселов. Источник: wikipedia.org

«В Англии умело синтезируют графен, чего нельзя сказать о России: у нас не настолько хорошо делают те образцы, которые нужны мне для работы. Сейчас для своих исследований мне приходится покупать графен испанского производства, и это не всегда удобно. Англичане как первооткрыватели сами делают графен на хороших установках. В Англии есть ресурсы, а в Японии — уникальный исследователь, который занимается интересующей меня темой. Так что вопрос, куда ехать учиться, для меня остается дилеммой», — отметил молодой ученый.

На практике

Большим бонусом прикладного характера нового терагерцового источника (при удачном стечении обстоятельств и успешной работе) может стать создание удобного и компактного генератора терагерцев. Например, это может существенно помочь аспиранту Святославу Гусеву в создании эффективного неинвазивного глюкометра.

«Графен — вещь очень компактная, и генерацию он может осуществлять при помощи того же электричества. Теоретически можно сделать совершенно миниатюрный эффективный прибор на основе метаматериалов и графена, который сможет удобным образом генерировать терагерцы в нужном направлении. Преимущество графена в том, что достаточно его и источника питания, чтобы происходила генерация, — очень удобно. Но нужно хорошенько проработать структуру, которая будет генерировать излучение в нужном направлении», — добавил магистр.

Однако не все так просто: графен обеспечивет довольно маленькие мощности, поэтому Алауди в ближайшее время планирует справиться с этой проблемой путем создания многослойной кремниевой структуры со слоями графена.

Участники конференции IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS). Источник: социальные сети
Участники конференции IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS). Источник: социальные сети

«Профессор Отсуджи как раз сосредоточился на возбуждении поверхностных плазмонов, чтобы они давали коллективное, а не одиночное испускание терагерцового излучения. Есть и другой вариант — попытаться накачать кремнивую подложку, которая будет передавать энергию графену. Тогда эффективность генерации возрастет. У нас уже есть и графен на кремнии, и лазер для накачки подложки, осталось только устроить эксперимент: через подложку передавать энергию графену и смотреть, насколько хорошо будет происходить генерация. То есть, работая над магистерской диссертацией, я светил инфракрасным излучением на сам графен, а теперь мы будем светить на кремниевую подложку. При успехе эксперимента мы сконструируем многослойную структуру из кремниевых подложек с графеном. Посмотрим, что получится», — поделился планами Алауди.

Чтобы установка, которую надеется получить Алауди и его коллеги, стала коммерчески привлекательной, нужно подождать пару-тройку лет. За это время синтез графена станет дешевле, и полная комплектация устройства будет стоить порядка 50 тысяч рублей. Однако для создания эффективного устройства нужна команда, которой молодому исследователю сейчас не хватает.

Кроме того, Алауди Денисултанов мечтает сделать Wi-Fi устройство, которое будет работать на терагерцах. Дело в том, что с помощью ТГц гипотетически можно передавать гигабиты информации в секунду. Схема работы все та же: графен синтезируется на подложках, а из них делается «сэндвич», который нужно будет, грубо говоря, сформировать в антенну и встроить в компьютер или гаджет. Подвох в том, что вода, содержащаяся в воздухе, очень хорошо поглощает терагерцы. Поэтому нужно будет подбирать ту терагерцовую частоту, которая будет поглощаться минимально. Для реализации задумки Алауди, опять же, нуждается в амбициозной междисциплинарной команде с участием IT-специалистов, которые могли бы ему помочь. Пока же он планирует вместе с коллегами Егором Седых и Игорем Прожеевым подаваться на грант компании Edmund Optics, которая может дать до десяти тысяч долларов на достойный проект. По словам магистра, его идея уже касается разработки специальной исследовательской аппаратуры.

Конференция в Сан-Франциско

Алауди Денисултанов на конференции IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS). Источник: социальные сети
Алауди Денисултанов на конференции IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS). Источник: социальные сети

Награду за свою работу Алауди Денисултанов получил в рамках конференции IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS), которая проходила в США в конце мая. По словам молодого исследователя, конференция имеет огромный потенциал для Университета ИТМО — как для студентов, так и для сотрудников научных центров. На этот раз, рассказывает Алауди, там было двое русских среди сотен иностранцев.

«Сейчас наш университет очень активно развивается и стремится к будущему семимильными шагами. А на конференции IMS есть множество серьезных инженерных конкурсов для студентов по микроволновым и терагерцовым темам, где дают приличные денежные награды. В половине номинаций победителя вообще не было, так как большая часть проектов организаторам не понравилась, и они не стали выбирать „лучших из худших“. Мне кажется, это вызов! Я уверен, что у нас есть ребята, которые занимаются перспективными и интересными проектами и могут представить свои идеи на суд жюри», — подчеркнул он.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба