Лазерный мир

В 2019 году в России стартовала программа развития синхротронных и нейтронных исследований. Рассчитана она до 2027 года, и за это время в стране должны появиться новые мегаустановки (установки класса Megascience): рентгеновские лазеры, синхротроны, источники нейтронов. В рамках программы Минобрнауки РФ в 2021 году конкурс уже на проведение научных исследований и подготовку кадров, где команда ученых Университета ИТМО победила с проектом «Рентгеновские лазерные технологии в нано- и биоматериаловедении». Какой вклад внесут эти исследования в будущее мировой науки, рассказываем в нашем материале.

Зачем нужен рентгеновский лазер

Лазерная мегаустановка выдает световые импульсы (в рентгеновском диапазоне) очень короткой длительности и высокой интенсивности, сфокусированные на небольшой площади. Это позволяет проводить измерения с большим временным, пространственным и энергетическим разрешением.

С помощью рентгеновского лазера ученые исследуют быстрые процессы, такие как образование химических связей и колебания молекул. Также установка позволяет проводить расшифровку и дифракционную визуализацию структуры белков, вирусов и нанокристаллов с атомарным разрешением, исследовать генерацию носителей заряда под действием света в солнечных батареях и изучать объекты в экстремальных условиях.

Несколько лет назад в Гамбурге официальное открытие рентгеновского лазера на свободных электронах — European XFEL. Наша страна — одна из двенадцати, внесших вклад в его создание. В 2018 году в числе первых научных групп из России исследователи ИТМО на European XFEL эксперименты с полным самостоятельным доступом к оборудованию. А в сентябре этого года ИТМО выиграл конкурс на реализацию еще двух: один из них исследования магнитной динамики, начавшиеся в 2019 году, а другой эксперимент посвящен изучению супрамолекулярных структур.

Направления СИЛьного проекта

Команда ученых ИТМО сфокусировала внимание в рамках проекта на трех направлениях деятельности. Во-первых, реализация научных исследований, во-вторых, подготовка кадров для работы на мегаустановках, в-третьих, создание новых технологий.

«Одновременно с проведением исследований и обучением студентов и аспирантов мы ставим себе задачу найти научные решения, которые получат практическое применение в новых технологиях. Одно из перспективных направлений — изучение галогенидных перовскитов: научная группа под руководством Сергея Макарова работает над созданием технологии производства перовскитных материалов для фотовольтаики. Хочу отметить, что мы преследуем не только научные цели, открыть что-то новое и опубликовать об этом статьи в высококлассных научных журналах, но намерены предложить практические решения, к примеру, по усовершенствованию солнечных батарей. Этим подходом мы руководствуемся при работе и над другими исследовательскими проектами», — рассказывает Алексей Романов, руководитель научно-исследовательского центра перспективных функциональных материалов и лазерных коммуникационных систем Университета ИТМО.

Второе направление (подготовка кадров) напрямую связано с проектом синхротронного источника «СИЛА» («синхротрон-лазер»). Его планируют создать на базе Института физики высоких энергий имени А. А. Логунова в подмосковном Протвине. Синхротрон будет превосходить по возможностям и техническим характеристикам все действующие международные источники такого же излучения.

«До сих пор лазера на свободных электронах, работающего в рентгеновском диапазоне, в России нет. Его хотят построить к 2027 году. Имеются публикации о возможностях такого источника, но реализация проекта еще не началась. Пока что начаты постройки других установок: в частности, меньшего размера, но все равно грандиозных. И для этих проектов как раз и нужны подготовленные специалисты, а также заделы для самих научных исследований. Наш проект на это и направлен в его образовательной и исследовательской составляющих», — отмечает Алексей Романов.

В рамках проекта будет разработана магистерская образовательная программа «Лазерные и синхротронные технологии мегасайенс» (Megascience Laser and Synchrotron Technologies). Ее студентов вовлекут в реализацию принципиально новых научных проектов «мегакласса», в том числе в исследования на больших установках. В процессе научной деятельности студенты будут сотрудничать с представителями ведущих международных исследовательских центров и компаний. По окончании обучения выпускники программы приобретут уникальные компетенции и научный опыт в области физики нано- и биосистем, разработки технологий, связанных с применением лазерных и синхротронных источников излучения.

Не теорией единой

European XFEL — это исследовательская мегаустановка с самым мощным в мире рентгеновским лазером на свободных электронах. Фото: Heiner Müller-Elsner / European XFEL

European XFEL — это исследовательская мегаустановка с самым мощным в мире рентгеновским лазером на свободных электронах. Фото: Heiner Müller-Elsner / European XFEL

На ближайшую перспективу намечено проведение как фундаментальных, так и практических исследований. С одной стороны, ученые будут работать над теоретическими аспектами, которые, скорее всего, пригодятся в будущем. Например, под руководством Дмитрия Карловца уже ведутся исследования так называемого закрученного света.

«Волновой фронт “закрученного” света имеет форму спирали. а не плоскости, как у привычной нам плоской волны. С помощью таких “закрученных” лучей можно прецизионно управлять мельчайшими объектами, например отдельными молекулами или наночастицами. Недавно за изобретение оптического пинцета, работающего по аналогичному принципу, была присуждена Нобелевская премия. Грубо говоря, мы пытаемся разработать другую форму этого пинцета», — комментирует Алексей Романов.

С другой стороны, перед специалистами стоит задача провести практические исследования. Прикладная часть проекта направлена на область зеленой энергетики, сенсорики, квантовых коммуникаций и биобезопасности.

«Научная группа под руководством Владимира Виткина совместно со специалистами НИИ гриппа будет исследовать вирусы, в том числе, возможно, и коронавирус, — мы хотим создать паспорт вируса и его мутаций: то есть сформировать методики, которые позволят быстро определять, насколько опасен определенный вирус, каким он был ранее и как изменился. Также нас интересуют биополимеры для медицины. Это, например, системы доставки лекарств, в частности водонерастворимых. Создать такие системы можно с помощью определенного вида полимерных материалов. Этим уже занимается группа под руководством Майи Успенской», — делится планами исследовательской команды Алексей Романов.

Редакция новостного портала ITMO.NEWS

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/12167/