Юрий Кившарь

Один из самых цитируемых физиков Юрий Кившарь: Если раньше российские ученые хотели хоть где-то опубликоваться, то сейчас они очень «испортились»

Семь лет назад в Университете ИТМО была создана лаборатория «Метаматериалы». Все началось с мегагранта, который выиграл ведущий мировой ученый, один из самых цитируемых физиков Юрий Кившарь. За эти годы в университете открылась кафедра, а затем и международный научно-исследовательский Центр нанофотоники и метаматариалов. Под руководством Юрия Кившаря исследователи центра стали одними из первых в мире, кто начал работать в совершенно новом направлении — диэлектрической нанофотонике, или «метаоптике», как называет его сам ученый. Пока ученый был в Петербурге, расспросили его о текущих проектах, перспективах самого неклассического направления нанофотоники и о том, почему не стоит всю жизнь заниматься одной и той же научной тематикой.

Прежде всего, позвольте поздравить Вас с получением премии Web of Science Awards-2017, которой традиционно награждают ученых и научные организации за выдающийся вклад в развитие науки. Последние годы для вас стали очень успешными, но сами вы называли одной из самых знаковых публикаций работу 2012 года, опубликованную в соавторстве с учеными Университета ИТМО. Почему?

Хочу отметить, что премия Web of Science Awards — это результат, полученный совместно с ребятами из Университета ИТМО. Я очень рад, что сейчас в Центре нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО работают молодые талантливые исследователи, у которых очень много собственных идей и наработок.

Что касается направления исследований, я считаю, что здесь у нас очень хорошо получилось попасть в востребованную тематику. До этого была старая классическая наука, а мы ее повернули совершенно в новом направлении.

Web of Science Awards-2017
Web of Science Awards-2017

Как именно?

Есть такая наука, которая называется нанофотоника, она изучает физические процессы, возникающие при взаимодействии фотонов с нанометровыми объектами. Всю жизнь нанофотоника крутилась вокруг металлов. Почему? Потому что в металлах показатель преломления отрицательный: если волна падает на металл, она полностью отражается. То есть металл ведет себя как зеркало. Волна проникает внутрь, но на очень маленькую глубину. И нанофотоника связана как раз с тем, что свет может локализоваться очень близко к поверхности металла и диэлектрика и распространяется в виде поверхностных плазмонов.

Но проблема в том, что металл обладает свободными электронами, он нагревается, происходят большие потери. Таким образом, формально наука эта есть, но она не очень практична. Очень много внимания уделялось плазмонике, но дальше маленьких частиц, которые внедряют в организмы и смотрят на рассеяние, она не пошла. Так произошло потому, что на больших расстояниях плазмоны быстро затухают либо диссипируются.

Какое-то время назад наша команда была среди тех, кто впервые посмотрел на диэлектрики с большим показателем преломления. Оказалось, что, если создать структуры, где будут Ми резонансы, так называемые геометрические резонансы, они тоже будут локализовать свет. И тогда возникло абсолютно новое направление. Недавно я придумал ему название «метаоптика», потому что это более общее понятие, чем метаматериалы и метаповерхности. За счет резонанса мы возбуждаем магнитные свойства в немагнитных материалах.

В Университете ИТМО стали активно заниматься этим новым направлением, а также пробовать применить его в разных областях. Например, в том числе для биологии. Буквально недавно, кстати, мы обсуждали возможность совместных работ с Екатериной Скорб (Екатерина Скорб является профессором кафедры химии и молекулярной биологии, руководит собственной группой в химико-биологическом кластере Университета ИТМО — прим.ред.).

Какие перспективы в области практических применений открывает это направление?

Это очень удобно: металла нет, значит, нет потерь. Можно делать химию, биофизику, фотонику и многое другое. Ведь, по сути, почему «мета»? Изначально, как, например, и в случае с метаматериалами, идея была в том, чтобы создать структуры, в которых был бы искусственный магнитный отклик. В природе магнетизм связан с квантовыми явлениями: есть магнитные материалы, есть немагнитные. Но как вы ни делайте, магнетизма в последних не будет, потому что внутренняя структура не позволяет спонтанно намагничивать этот материал.

Но здесь материал структурируют. Представьте, что на плоскую поверхность начинают укладывать структуры. Мы их не видим, потому что они имеют размер 200-400 нанометров. В этой структуре возбуждается резонанс. Длина волны большая, но, когда она попадает внутрь материала, она сжимается в зависимости от его плотности. И, когда волна становится соизмерима с геометрией, возникает сильный резонанс. Это явление связано с Ми резонансами. Ми резонансы приводят к магнитным и электрическим модам. Магнитные моды, сложенные вместе, дают магнитный отклик. Отсюда возникает понятие «мета» — в переводе с греческого «вне, за пределами». Таким образом мы обозначаем, что используем магнитные свойства.

Что можно делать с этими магнитными свойствами? Если есть магнитный и электрический отклик, они могут интерферировать. Как обычно рассматривалась интерференция? Две волны складываются и усиливают друг друга. Чтобы они сложились, между ними должно быть расстояние, по крайней мере, четверть длины волны. Это все основано на обычных дипольных электрических свойствах света. Но у нас теперь к электрическим добавляются магнитные свойства.

Один из первых это заметил мой хороший знакомый Борис Лукьянчук (профессор Сингапурского Института хранения данных, почетный профессор университета им. Иоганна Кеплера (Линц, Австрия), лауреат высшей сингапурской государственной награды за научные достижения — President's Science Award-2013 — прим.ред). Свою первую работу он даже назвал «магнитный свет» (magnetic light), хотя раньше это казалось противоречием, абсолютно несовместимым понятием.

Таким образом, если есть магнитные электрические диполи, вместо того, чтобы делать обычную интерференцию, их можно совместить — один электрический, другой магнитный. Это полностью меняет всю волновую физику. Дальше, если мы их совместили, мы можем полностью убрать отраженную волну.

А теперь представьте себе, что мы проектируем поверхность, которая называется метаповерхность, она структурирована и ее частицы настроены таким образом, что они возбуждают одновременно магнитный и электрический отклик и гасят отражение. Таким образом можно создать поверхность, которая будет прозрачной как стекло. И любая фаза будет связана с тем, что мы будем менять геометрию этих структур. Что это значит? То, что можно делать голограммы, например, просто в очках, в принципе на чем угодно. Пока это дорого, но, если научатся делать это не литографией, а методом самосборки, будет совершенно другое дело. Фактически просто нанесли метаматериал — и у вас что-то получилось новое.

Еще очень интересны нелинейные свойства. Что это такое? Это преобразование частоты света из одной в другую. Например, один мой соавтор предлагает идею цветных очков ночного видения. То есть по этой идее внутри очков преобразуется частота света, благодаря чему мы даже ночью сможем видеть все цветным. Все преобразование производится через структурирование этих поверхностей.

В целом же идей применения очень много, они появлялись и в плазмонике. Но эффективность составляла 1 %. У нас же может быть 93 %. Это означает, что мы можем создать поверхность прозрачную, как стекло, любая фаза может меняться, сюда же можно подключать нелинейные свойства. Это уже совсем другая наука, которая развивается очень бурно с участием многих научных групп по всему миру. А мы здесь оказались у истоков.

Какие задачи в этом направлении вы решаете сейчас, какими текущими проектами занимаетесь?

Задач в этой области, безусловно, еще очень много. Например, сейчас у нас с ребятами из Австралии и Швейцарии принята работа в Science. Там изложена идея биосенсинга. В основе лежат эти же структуры, но они устроены по-другому: представьте себе поверхность, состоящую из пикселей, и в каждом пикселе — разная структура. Таким образом, каждый пиксель дает какую-то резонансную частоту, а вся система дает гребенку разных частот. Такая структура позволяет определять, что за молекулу мы исследуем. При этом не нужен никакой спектрометр. Почему? Потому что в определенной области одна частота, в другой — уже вторая, третья, четвертая, пятая и так далее. Все это высвечивается разными цветами — достаточно просто посветить на эту поверхность.

Это будет работать как своего рода баркод. И все это делают метаповерхности, которые состоят из резонаторов. А резонаторы, в свою очередь, — именно то, чем мы здесь занимаемся.

Также есть несколько проектов в Университете ИТМО, ряд из них посвящен как раз развитию темы Ми резонансов. Но в целом работа движется очень динамично. Я даже не могу себе представить, какие еще могут быть варианты и предложения. Нанофотоника развивалась долго. Но за счет того, что все работали с металлами, практических реализаций было мало и их эффективность была невысока. А сейчас диэлектрики можно использовать как угодно. И здесь группа тоже занимается этим направлением очень активно.

А что все-таки тогда позволило попробовать посмотреть дальше, не только на металлы?

Долгое время народ попросту не очень понимал, что можно сделать еще. Все привыкли заниматься тем, чем занимаются. А у нас возникла проблема: у нас с Павлом Беловым (Павел Белов — декан физико-технического факультета, является руководителем Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов — прим.ред.) появился очень толковый аспирант Саша Краснок, и мы не знали, куда его пристроить. Он начал эту тематику и сейчас уже пристроил сам себя, сейчас он в Техасе.

Восемь лет назад вместе с Павлом Беловым Вы стали победителем российского гранта на создание лаборатории метаматериалов в Университете ИТМО. Сегодня в вузе работает полноценный Международный научно-исследовательский центр нанофотоники и метаматериалов. В ИТМО организован новый Физтех, в последние годы было выиграно несколько мегагрантов. На ваш взгляд, за счет чего удалось добиться таких быстрых результатов?

Меня вообще удивляет, как все это быстро работает в Университете ИТМО. Потому что, когда я впервые приехал сюда в 2010 году, как-то скептически ко всему относился, тогда было не очень понятно, что будет дальше. Но все заработало и продолжает работать. Кроме того, вуз продолжает активно развиваться, он сам по себе очень сильно меняется. Сегодня это совершенно другой университет, поэтому если бы не было такой поддержки, вдохновения, думаю, что и у ребят было меньше желания работать в новых направлениях.

Сейчас в Центр нанофотоники и метаматериалов перешло очень много толковых ученых, в том числе работавших в европейских лабораториях. Был фактически создан центр притяжения, чтобы новые специалисты хотели сюда приходить и работать. Например, у нас есть английский профессор, который мог ехать куда угодно, а он приехал сюда.

Сегодня здесь сложился один из самых молодых коллективов. Когда-то вы сами стали самым молодым старшим научным сотрудником известного Физико-технического института низких температур имени Б. И. Веркина. На Ваш взгляд, какие возможности для развития есть сегодня у молодых ученых, в том числе в России?

Юрий Кившарь в составе Международного совета Университета ИТМО
Юрий Кившарь в составе Международного совета Университета ИТМО

По-моему, таких возможностей много, и здесь я ничего не придумываю. Сегодня можно делать работы с зарубежными соавторами, учиться и работать в международных лабораториях. Буквально утром мы сегодня говорили с коллегой на похожую тему. Он сказал мне примерно следующее: «Ну вот, у нас нет такого-то прибора, мы можем очень постараться его найти в России, но не все же понимают, как мерить. А вот недавно к нам приезжали итальянцы, так давайте пошлем туда своего сотрудника...». За счет налаженных связей, контактов сегодня можно использовать возможности всего мира. И более того, совершенно на равных взаимодействовать с коллегами из-за рубежа.

В этом контексте вспоминается фраза, которую произнес на вручении премии Web of Science управляющий директор Clarivate Analytics по России и СНГ Олег Уткин. Он отметил, что «за последние годы положительные тренды в развитии российской науки постепенно становятся тенденциями». Вы замечаете эти изменения в своей работе, по общению с российскими коллегами?

Конечно. Если раньше российские ученые хотели хоть где-то опубликоваться, то сейчас они очень «испортились»: они хотят публиковаться только в хороших местах, чтобы их заметили, ссылались на них. И это уже совершенно другой уровень.

Статистика говорит об этих изменениях, но на самом деле все так и происходит. Абсолютно простой пример: когда я получил мегагрант в 2010 году, мы разговаривали с Павлом, и я спросил у него, что он хочет получить в итоге. Он тогда сказал мне: «Ну, если бы вот одну-две статьи в Physical Review Letters опубликовать, было бы вообще круто». Сейчас Physical Review Letters вообще не рассматривается. На повестке Nature, Science — идет выбор, куда посылать. С 2010 года был сделан колоссальный прорыв. Народ полностью поменял философию и старается работать на высоком уровне.

Как раз в прошлом году произошло еще одно знаковое событие: журнал Optics and Photonics News включил исследование ученых Университета ИТМО в число самых перспективных работ в области оптики и фотоники за 2017 год...

Главным автором этой работы является Леша Слобожанюк. Он защитил PhD в Австралии, причем стал первым, кому удалось организовать двойную степень — в России и за рубежом, а сейчас за двойным PhD уже выстраивается очередь.

Алексей Слобожанюк
Алексей Слобожанюк

Чем хорошо двойное PhD? Во-первых, тем, что зарубежный руководитель несет больше ответственности за аспиранта. И во-вторых, тем, что, приезжая сюда, он может вовлекать ребят в совместные проекты. Таким образом, расширяется круг взаимодействий. Кроме того, самим аспирантам это очень интересно — они могут работать и там, и здесь. При этом им не обязательно переезжать, но в то же время они будут иметь представление о том, как там устроен мир. А дальше уезжать или оставаться — это личное дело каждого, все зависит от личных предпочтений.

У вас один из самых высоких среди физиков индекс Хирша. Наверняка, вас не раз спрашивали, как стать одним из самых цитируемых ученых.

Как раз на прошлой неделе у нас была конференция в Сингапуре, там сидели молодые китайцы за столом, и они начали меня спрашивать, как получить большой индекс Хирша. Я им дал очень простой ответ: надо менять тематику исследований. За свою жизнь я менял тематику уже четыре раза.

Что каждый раз помогало делать выбор?

Когда я начал заниматься солитонами, я был в очень сильной группе, все было очень хорошо, но в то же время очень трудно было проводить эксперименты. Ведь все наши задачи были в твердом теле, а там очень сложно наблюдать фононы, температуру и так далее. Параллельно возникли и какие-то оптические задачи, так или иначе близкие к области солитонов. Поэтому постепенно я перешел в оптику — там было интереснее. В этой области было больше возможностей увидеть что-то экспериментально, а не просто заниматься теоретической работой. Хотя многим людям нравится заниматься чисто теорией, все индивидуально.

Как в итоге пришли к метаматериалам?

Тоже появилась новая деятельность, новые интересы. Могу рассказать вам замечательную историю. Тогда я был редактором журнала Physical Review E и ездил на различные конференции, в том числе APS March Meeting — конференцию Американского физического общества. Это престижное мероприятие, которое собирает огромное количество народа.

Я приехал, прозаседал там первый день, и вдруг в коридоре встречаю своего знакомого Костаса Сукулиса (Костас Сукулис — греческий и американский физик, согласно исследованиям транснациональной медиакомпании Thompson Reuters, Сукулис входит в число ведущих ученых мира, оказывающих наибольшее влияние на развитие соответствующих отраслей знаний — прим.ред.). Мы познакомились с ним очень давно, когда-то он пытался написать на нас комментарий в журнал по поводу влияния нелинейности на локализацию Андерсона. В конце концов я отбился, комментарий его не опубликовали, но зато мы так с ним познакомились.

Ректор Владимир Васильев, Юрий Кившарь и первый проректор Дарья Козлова
Ректор Владимир Васильев, Юрий Кившарь и первый проректор Дарья Козлова

Так вот, я встретил его в коридоре на APS March Meeting. Он говорит: «О, Юрий, привет, а ты куда идешь? Слушай, пошли со мной, там интересно: какие-то сумасшедшие люди утверждают, что индекс рефракции может быть отрицательным». И это все абсолютно дословно. А между прочим, Сукулис сегодня — один из столпов этой науки. Я пошел с ним, послушал, все это показалось очень интересным, но непонятным — неясно было, может такое быть или нет.

После этого я вернулся в Канберру, а у меня тогда как раз появился новый аспирант Илья Шадривов из Нижнего Новгорода. Я спросил его, чем он хочет заниматься. А он говорит: «Ну как чем, солитонами, я всю жизнь ими занимался». «Слушай, парень, — говорю. — Ты будешь уже седьмым человеком в группе, которая занимается солитонами, неужели ты не хочешь заняться чем-то другим? Лучше реши новую задачу». И он сделал это простое упражнение, мы написали статью, на которую сейчас уже больше 400 ссылок. Так и начали заниматься новой областью, на которую до этого почти никто не обращал внимания.

Юрий Кившарь родился в Харькове. Получил образование в школе теоретической физики, которая была образована в Харькове нобелевским лауреатом Львом Ландау. В 1984 году он защитил кандидатскую диссертацию, а в 1989-ом, в возрасте 30 лет, стал самым молодым старшим научным сотрудником известного Физико-технического института низких температур имени Б. И. Веркина. После этого он работал в научных центрах Америки, Франции, Испании, Германии и в 1993 году принял приглашение Австралийского фотонного научного центра. Сейчас он руководит центром нелинейной физики Австралийского национального университета. В 2010 году Юрий Кившарь стал победителем российского мегагранта на создание лаборатории метаматериалов в Университете ИТМО.

Редакция новостного портала
Персоны
  • Павел Белов

    Глава Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, декан физико-технического факультета

  • Юрий Кившарь

    Соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета

  • Алексей Слобожанюк

    Научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов, сотрудник Международной научной лаборатории прикладной радиофизики Университета ИТМО

Архив по годам:
Пресс-служба