От скоростного интернета до замены рентгена – стипендиат IEEE рассказал о возможностях, которые открывает терагерцовое излучение

Выпускник Университета ИТМО Антон Зайцев, обучающийся в аспирантуре факультета фотоники и оптоинформатики, стал одним из шести получателей международной стипендии IEEE Microwave Theory and Techniques Society 2018 на реализацию в 2019 году проекта «Development of optically tunable graphene-based THz devices». Корреспондент ITMO.NEWS пообщался с Антоном и выяснил, как терагерцовое излучение со временем сможет заменить рентген, почему он совместно с коллегами ищет замену однослойному графену и что нужно учитывать при подаче заявки на международный грант.

Антон Зайцев

Международная стипендия MTT-S Undergraduate Scholarship (IEEE) вручается каждые полгода нескольким студентам, работающим над изучением микроволнового и терагерцового излучения. В качестве одного из стипендиатов был выбран магистрант Университета ИТМО Антон Зайцев. Хотя сама стипендия была присуждена некоторое время назад, официально об этом было объявлено накануне нового учебного года.

За последние полтора года трое молодых ученых из Университета ИТМО получили эту стипендию. Все они представляют научно-исследовательский коллектив лаборатории терагерцовой биомедицины, возглавляемой Михаилом Ходзицким. Как отметил Антон, помимо денежного вознаграждения, призванного поддержать молодого исследователя, победа в конкурсе дает возможность посещать международные конференции и участвовать в межинститутских программах.

Антон, позвольте еще раз поздравить с присуждением вам авторитетной стипендии. Как узнали о победе в конкурсе, какие эмоции испытали?

Все это произошло за день до моего дня рождения, так что это было чем-то вроде подарка. Причем подарка приятного вдвойне, потому что до этого я не выигрывал международных стипендий. Помимо стипендии, порядка 1500 долларов, также выделяются деньги на поездку на конференцию до конца текущего года, дается членство в самом Microwave Theory and Techniques Society. Это является подтверждением актуальности исследования, дает возможность для дальнейшего развития, поскольку наличие наград оценивается и в последующих грантовых конкурсах.

До меня эту стипендию выиграл Максим Масюков, с которым мы работаем вместе в одной лаборатории, а после меня, как уже стало известно, выиграл еще один мой коллега, Егор Литвинов. Это интересный результат в плане оценки работы нашей лаборатории, потому что стипендия очень редкая, статистически ее получают немногие, но при этом у нас три победителя подряд.

Отчасти я планирую потратить полученные деньги на поездку на большую конференцию, которая пройдет в Париже с 29 сентября по 4 октября. Это так называемая Европейская микроволновая неделя, в нее входят несколько конференций (в том числе 2019 49th EuMC, которую я планирую посетить), воркшопы, мастер-классы в области моих исследований.

European Microwave Week (Европейская Микроволновая неделя). Источник: dimacred.com
European Microwave Week (Европейская Микроволновая неделя). Источник: dimacred.com

Расскажите о своей работе. Чем вы и ваши коллеги занимаетесь в лаборатории терагерцовой медицины?

Одним из направлений работы нашей лаборатории является разработка устройств для управления параметрами терагерцового излучения, в том числе для создания различных устройств беспроводной связи, более высокоскоростных, чем, например, Wi-Fi. Мы работаем в этом направлении. Сейчас работа в основном посвящена изучению новых материалов, которые могут быть использованы в таких устройствах. Работа, по которой я выиграл стипендию, была связана с устройством модуляции параметров терагерцового излучения на основе многослойного графена.

Проще говоря, у нас есть источник – лазер или диод, и он может давать непрерывное излучение, передавая которое на расстояние мы не транслируем никакой информации. Для того, чтобы передавать информацию, мы модулируем это излучение по амплитуде, по фазе, по интенсивности или по частоте. Соответственно, мы можем делать это с помощью графена и метаматериалов на его основе, дающих более высокую эффективность работы передатчика. В результате на приемной стороне мы получаем модулированный сигнал, который мы распознаем и вычленяем из него полезную информацию.

При использовании метаматериалов на основе графена получились довольно интересные результаты. Но поиск материалов никогда не останавливается – очень важно найти те, которые будут справляться с задачей лучше. Научный поиск требует того, чтобы мы не зацикливались на одном и том же. Сейчас мы будем работать с новым материалом по теме гранта РНФ, который был выигран нашей лабораторией – это висмут-сурьма. Графен очень тонкий – у него моноатомная структура, и его легко случайно разрушить. Делая его многослойным, мы увеличиваем эффективность его взаимодействия с излучением, но увеличиваем и потери – графен довольно сильно поглощает излучение. Одним из преимуществ сплавов висмут-сурьмы является то, что их свойства в терагерцовом диапазоне частот сильно зависят от состава сплава и толщины пленки. Кроме того, их уникальные свойства могут управляться посредством различных внешних воздействий (оптическое возбуждение, нагрев, электрическое и магнитное поле).

Какова ваша роль в исследованиях, о которых вы говорите?

Моя роль заключается в следующем: коллеги исследуют материалы с помощью установки импульсной терагерцовой спектроскопии, а я обрабатываю данные эксперимента и провожу серии электромагнитных моделирований с использованием этих результатов. По выходным данным моделирования я изучаю полученные свойства разрабатываемых устройств. Так я получаю предварительные результаты, благодаря которым можно оценить степень пригодности устройства для его экспериментального воплощения. Мои расчеты и оценки показывают, можно ли на изученном материале получить те или иные эффекты.

На самом деле, проводимая работа значительно более разнообразна: она включает и проведение аналитических обзоров и различных расчетов, и некоторую творческую составляющую по поиску новых решений, а также написание статей и выступление на конференциях. Некоторые из указанных мною видов деятельности могут быть неким переходным этапом, поскольку не всегда то, чем ты непосредственно занимаешься, тебе должно очень сильно нравиться. Но это работа, которую необходимо научиться выполнить, чтобы знать, как это делается, и иметь возможность перейти к следующим этапам, возможно, более сложным и интересным. Сейчас я поступил в аспирантуру на радиофизику. Вероятно, в дальнейшем, помимо оптических методов, я буду использовать и радиофизические методы для работы с этими материалами.

А сколько времени занимает разработка с нуля такого метаматериала?

Один год занимает полное исследование всех параметров материала, а также моделирование, и второй год могут занять разработка и создание устройств, какая-то оптимизация их параметров с использованием нового материала.

Вы говорили о том, что терагерцовое излучение может быть использовано для сверхбыстрой передачи данных. Для чего еще могут быть полезны ваши разработки?

На основе использования терагерцового излучения можно получить не только сверхбыструю альтернативу Wi-Fi, работающему в ГГц диапазоне частот. Также возможно его применение в области спектроскопии, где используются спектры материала и его отклик на терагерцовое излучение в зависимости от воздействия окружающей среды – анализ газов, твердых тел, биологических жидкостей и тканей.

Использовать такие материалы можно и в системах визуализации наподобие камеры, только не в оптическом, а терагерцовом диапазоне. Берется, допустим, источник терагерцового излучения, волны от которого распределяются по ячейкам (либо они сами являются источниками), от которых они распространяются параллельно и проходят сквозь материал. После этого излучение собирается матрицей детекторов, и мы получаем картинку, но не в оптическом, а в терагерцовом спектральном диапазоне. Потому что терагерцовое излучение по-разному поглощается, к примеру, тканями человека или металлами.

То есть это может быть некая альтернатива рентгену?

Терагерцовый лазер. Источник: psi.ch
Терагерцовый лазер. Источник: psi.ch

Да, только более безопасная. Рентгеновское излучение ионизирует биологические молекулы, из-за чего они разрушаются. Как известно, длительное облучение человека рентгеном не приводит ни к чему хорошему. Терагерцовое излучение неионизирующее, и энергии его квантов не хватает для того, чтобы молекулы разрушались. Они просто начинают колебаться с более высокой скоростью, то есть происходит слабенький нагрев, но не разрушение. По крайней мере, по текущим исследованиям можно сделать такой вывод.

Ваша работа над терагерцовым излучением принесла вам не только стипендию, вы один из лучших выпускников, поступили в аспирантуру. Почему вы решили заняться изучением этой темы?

За время учебы я перепробовал несколько различных направлений, но в основном эти попытки были неудачными. Затем я пришел в лабораторию терагерцовой биомедицины, занимающейся различными применениями терагерцового излучения. Это интересное и перспективное направление, которое может дать положительные результаты, если работать последовательно, заниматься изучением новых материалов, свойства которых еще не исследованы.

Как вы видите свое будущее после завершения аспирантуры? Хотели бы остаться в фундаментальной науке или, возможно, открыть свой стартап?

Мне хотелось бы создать устройство, которое будет полезно и уникально, а также, возможно, заняться его производством. Однозначно, оно должно иметь преимущества по сравнению с существующими ныне аналогами. Что это за устройство, пока не имеет особого значения, но, возможно, оно не будет иметь строго очерченной сферы применения, поскольку сможет применяться во многих направлениях. Время в аспирантуре хотелось бы, в том числе, посвятить поиску направлений, где необходима разработка новых устройств. Это самое сложное – найти ту сферу, в которой твои разработки были бы полезны людям, сферу, в которой есть недостаток в технологиях, который можно устранить с помощью новых подходов.

Если ненадолго вернуться к вашему гранту, какие вы можете дать советы тем людям, которые только будут подавать свои первые заявки на стипендию или на конкурс?

Важна актуальность работы, необходимо правильно находить те места, куда заявки можно подать, а также знать время, когда это делается. Кроме того, необходима поддержка научного руководителя, как в плане исследований и деятельности в целом, так и в плане рекомендаций, которые также часто запрашиваются организаторами конкурса. Чаще всего, помимо актуальности проекта, оценивается и наличие публикаций у автора по теме работы.  Отмечу, что есть и некоторая доля везения, когда не все зависит от самого человека.

Я думаю, что в подаче заявки великих сложностей нет, все значительно проще, чем кажется. Если требуется обзор или мотивационное письмо, то оно, зачастую, не сильно формализовано, его можно написать в произвольной форме. Чаще всего оценивается именно работа, а не красота оформления. Хотя для некоторых комиссий очень важно и оформление, и это тоже нужно учитывать.

Как-то мы подавали заявку на небольшой грант РФФИ, в которой я значился руководителем, и вся работа была оценена хорошо, но было замечено, что у меня было всего две или три публикации, чего оказалось недостаточно. Так и не выиграли тогда.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба