Исследование континуума, топологическая фотоника и оптические системы на BICs – какие исследования молодых ученых Университета ИТМО поддержал фонд «Базис»

В этом году гранты от Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС» выиграли сразу шесть представителей Университета ИТМО – два научных сотрудника Андрей Богданов и Максим Горлач и четыре аспиранта физико-технического факультета Даниил Корнован, Кирилл Кошелев, Никита Олехно и Зарина Садриева. «БАЗИС» является продолжателем традиций фонда Дмитрия Зимина «Династия», который прекратил свое существование в июле 2015 года, и многие из тех, кто был в свое время стипендиатами этого фонда, например, научные сотрудники вуза Андрей Богданов и Александр Поддубный, теперь являются стипендиатами фонда «БАЗИС».

Фонд «Базис». Источник: basis-foundation.ru

Фонд развития теоретической физики и математики «БАЗИС» российский предприниматель Олег Дерипаска учредил в 2016 году для поддержки фундаментальной физики и математики в России. Программы фонда направлены сразу на несколько категорий ученых и научных мероприятий. Так, они включают индивидуальные гранты, поддерживающие ученых на всех этапах их карьеры с акцентом на поддержку молодых ученых и их участия в работе ведущих научных групп, а также поддержку научного сотрудничества, включая участие в лучших тематических программах, конференциях и школах, поддержку научных и образовательных мероприятий и другое. Получить грант могут как молодые ученые без степени, так и кандидаты наук. Чтобы стать стипендиатом Фонда «БАЗИС» в обоих случаях необходимо предложить исследовательский проект в области фундаментальной физики, соответствующей заданной тематике, представить научные публикации в зарубежных научных журналах за указанный временной период, а также рекомендательные письма от российских и зарубежных ученых – экспертов в области научных интересов потенциального стипендиата.

В этом году именные гранты, фактически являющиеся стипендиями, которые будут выплачиваться в течение трех лет, получили два научных сотрудника физико-технического факультета Университета ИТМО – Андрей Богданов и Максим Горлач. Проект Андрея Богданова посвящен исследованию локализованных оптических состояний континуума в периодических диэлектрических структурах. Континуум – достаточно новый объект в оптике, который активно исследуется лишь в последнее десятилетие. Локализованные состояния континуума представляют собой высокодобротные состояния, позволяющие усиливать интенсивность падающего излучения в миллионы раз, что может быть использовано при создании нелинейных оптических элементов и сверхчувствительных биосенсоров. По словам исследователя, проект посвящен анализу фундаментальных проблем, связанных с практическим использованием этих высокодобротных состояний, в частности, их устойчивости к нарушению различных симметрий фотонных структур. Андрей Богданов – научный руководитель трех аспирантов (Кирилла Кошелева, Зарины Садриевой и Олега Ермакова), каждый из которых за последние два года также получил поддержку фонда «БАЗИС».

Андрей Богданов
Андрей Богданов

Другой обладатель гранта – младший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Максим Горлач – занимается топологической фотоникой. Понятие топологической фотоники можно объяснить на примере. Представим, что математик говорит: «Две поверхности топологически эквивалентны». Это означает, что, непрерывно деформируя одну поверхность, ее можно перевести в другую. При этом некоторые поверхности, например, сфера и тор, друг в друга одними деформациями не переводятся. В таком случае считается, что поверхности топологически неэквивалентны. Концепция топологии применима и к физике. Например, топология фотонных зон определяет такие необычные свойства искусственных структур (метаматериалов), как топологически защищенные краевые состояния. Такие состояния поля распространяются строго по краю структуры, не проникая вглубь, но в то же время не выходя за пределы структуры. У топологических состояний света есть ряд интересных свойств, которые ученые Университета ИТМО в последние годы активно исследовали: анализировали топологические состояния с помощью спектров прохождения, а также реализовали трехмерный топологический изолятор. Кроме того, не так давно научные Максим Горлач и Александр Поддубный сделали интересное предсказание – возникновение топологических состояний фотонов за счет отталкивающей нелинейности. Такой прогноз противоречит обыденной интуиции (казалось бы, для возникновения связанных состояний нужно притяжение), однако, как оказалось, не противоречит законам физики. В рамках проекта, поддержанного фондом «БАЗИС», Максим Горлач планирует сделать следующий шаг в исследованиях топологических состояний связанных пар фотонов и инициировать экспериментальные исследования. Для эксперимента есть несколько вариантов, один из них основан на использовании цепочек сверхпроводящих кубитов.

Максим Горлач
Максим Горлач

В этом году в категории «Молодой ученый без степени» победили 19 человек со всей России, четверо из них из Санкт-Петербурга и все – представители Университета ИТМО и сотрудники физико-технического факультета. Таким образом, с момента начала выплачивания фондом «БАЗИС» грантов для поддержки ученых в теоретическом секторе в петербургском вузе уже девять стипендиатов – таким достижением не может похвастаться ни один университет или Институт РАН. Одним из победителей этого года стал аспирант Даниил Корнован, занимающийся теоретическим изучением различных аспектов взаимодействия света и вещества, в том числе на квантовом уровне.  

«Например, есть задача, связанная с оптическими силами, действующими на одиночные атомы или маленькие частицы, которые находятся вблизи тонких оптических волокон. Приложение здесь достаточно очевидное: это один из способов оптического манипулирования микро- и нанообъектами. Также есть задачи, связанные с исследованием того, как меняются излучательные свойства одиночных квантовых источников (таких как атомы, квантовые точки) и их ансамблей, если они взаимодействуют с собственными модами различных фотонных структур. Эти исследования ближе к теоретическим фундаментальным – мы не ставим задачи изобрести какое-либо устройство, предложить его дизайн. Тем не менее, исследование свойств таких систем важно для разработки будущих устройств фотоники», – объясняет аспирант.

Нанорезонатор в виде очень тонкой щели в золотой фольге. Источник: indicator.ru
Нанорезонатор в виде очень тонкой щели в золотой фольге. Источник: indicator.ru

Грантовые средства молодой ученый планирует использовать для покрытия расходов на участие в международной школе Okinawa School in Coherent Quantum Dynamics, проводимой Окинавским институтом науки и технологий этой осенью и посвященной квантовой физике. С одной из научных групп этого японского института ученые Университета ИТМО проводят совместные исследования по нескольким тематикам.

Исследовательский проект другого аспиранта-победителя Зарины Садриевой посвящен изучению так называемых bound states in the continuum (BICs) в оптических системах. Это особые топологически защищенные резонансы периодической системы, обладающие теоретически неограниченно высокой добротностью. Добротность показывает, каким количеством энергии способна запастись система по отношению к рассеиваемой мощности. Это очень важная характеристика резонатора, с некоторой оговоркой эквивалентная качеству (с английского «добротность» переводится как quality factor, что дословно означает «фактор качества»). Так как состояния BICs не имеют теоретических пределов добротности, на их основе можно изготовить высокодобротные резонаторы. На практике добротность ограничена материальными потерями, рассеянием на шероховатостях и несовершенствах периодической системы, но все равно остается достаточно высокой для практических применений.

BICs в оптических системах. Источник: semanticscholar.org
BICs в оптических системах. Источник: semanticscholar.org

«Безусловно, оптические системы на BICs – вовсе не единственный вариант высокодобротных резонаторов. Однако, помимо высокой добротности, BICs имеют другие достоинства, например, простоту возбуждения и направленность излучения, которыми не обладают ближайшие конкуренты. Область применения BICs-резонаторов обширная: от систем обработки и передачи информации оптическим способом до разнообразных сверхчувствительных сенсоров. Тема bound states in the continuum достаточно новая: первые работы в оптике датируются 2008 годом, поэтому эта сфера сейчас активно разрабатывается в мире. Например, в 2017 году была предложена первая лазерная структура с резонатором на основе BICs. Исследование я провожу в рамках диссертационной работы, поэтому есть хороший задел, понимание важности исследования для развития этой темы. Так, в заявке я указывала все статьи с 2011 года – все они имеют прямое или косвенное отношение к теме проекта, так как я с бакалавриата занимаюсь исследованием оптических резонаторов. Последние статьи были опубликованы в журналах ACS Photonics и Physical Review Letters», – прокомментировала Зарина Садриева.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба