Анатомия света: как устроены и чем занимаются лаборатории фотоники сегодня

Во многих вузах направление и кафедру нужно выбирать на старте. В МГУ дают время осмотреться и попробовать разное, чтобы сделать осмысленный выбор к концу второго курса. Я хотела заниматься фундаментальной наукой, поэтому мои поиски начались с кафедры полимеров и кристаллов. Здесь мы выращивали кристаллические структуры и измеряли их проводимость. Направление казалось интересным, поскольку данные находили применение в самых разных сферах от сверхпроводников до фармацевтики.

От опыта работы в лаборатории я ждала, что мои решения будут больше влиять на результат, появится больше ручных настроек и проектирования. Мы будем изобретать принципиально новые подходы к тестированию гипотез. Но оказалось, что исследования здесь строятся по-другому алгоритму. Работа с кристаллами — это цикличный процесс, в котором меняются переменные, но характер опытов всегда идентичен. Установка использовалась всего одна, поэтому разнообразие экспериментов не слишком высокое.

По этой причине, когда в конце четвертого семестра на общей практике по оптике меня подвели к огромному оптическому столу в лаборатории фотоники, заставленному разными линзами и приборами, меня поразил масштаб. Кроме этого, оказалось, что все эти устройства создаются самостоятельно. Всё можно потрогать руками и начать экспериментировать в любой момент.

В лаборатории фотоники я нашла баланс между личной ответственностью и работой в команде. Между поиском неизвестного и богатой теоретической базой, от которой можно оттолкнуться в собственных исследованиях.

На физфаке МГУ фотоникой можно заниматься по-разному: например, разрабатывать оптические устройства. В нанофотонике — работать с лазерами и квантовыми технологиями, исследовать свойства света и материалов. Есть и теоретические направления — можно строить модели, делать расчеты и проверять идеи с помощью компьютерного моделирования.

К изучению фотоники я пришел не сразу. Во время обучения в бакалавриате и магистратуре я занимался в физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе молекулярно-пучковой эпитаксией. Но в 20 лет сложно выбрать научное направление на годы вперед и к концу первого курса аспирантуры я понял, что хочу больше заниматься экспериментами, а не технологией.

Когда в 2020 году открылась Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ, я захотел попробовать свои силы в новой для меня области науки. Выбор определили несколько составляющих. Во-первых, команда проекта — коллектив ученых, с которым я хотел сотрудничать. Во-вторых, фотоника была для меня достаточно новой и интересной сферой, где есть место большим поисковым исследованиям. В-третьих, лаборатория получила самое современное на тот момент оборудование и могла заниматься актуальными и сложными исследованиями на уровне передовых научных групп.

После исследований, направленных на развитие технологии формирования эпитаксиальных гетероструктур, мне понравилась проводить эксперименты в области фотоники, которые оказались зачастую менее продолжительными, чем процессы МПЭ роста, а заодно требовали продумывать не только ход эксперимента, но и устройство самой экспериментальной установки. Опыт работы в лаборатории помог лучше понять, как устроена научная сфера. Благодаря этому я могу заниматься вещами, которые мне действительно интересны и в которых я вижу перспективу развития. Например, сейчас мы активно развиваем новое для лаборатории направление исследований — фотонные интегральные схемы.

Во Владивостоке, откуда я родом, многие технические школы нулевых специализировались на радиосвязи. Морской город, многое завязано на строительстве кораблей. Кроме этого, по всей стране тянули оптоволоконный интернет и было понятно, что наступает новая эра связи, теперь всё будет на порядок быстрее. Интерес к фотонике, думаю, тогда зарождался не только у меня, но и у многих моих сверстников, поскольку область выделялась своей социальной значимостью, возможностью сделать жизнь немного удобнее.

Мне хотелось стать ученым и заниматься фундаментальными вопросами: исследовать свойства света, взаимодействие света с различными материалами. Поступив в МИФИ, я в те годы часто думал, что курс физики максимально перегружен. Например, нам кроме различных курсов по оптике еще читали физику плазмы, магнетизм, термодинамику, но только сейчас я понимаю, как многое пригодилось и развило кругозор. Работать в лаборатории с четвертого курса оказалось максимально логичным решением: так я освоил методы литографии, создания различных наноструктур и изучал их оптические свойства.

В наших первых работах в начале 2010-х область нанофотоники развивали в основном на базе кремния или металлов, алюминия, золота и серебра. Сначала мы изучили все базовые эффекты, чтобы разобраться, как свет взаимодействует с такими маленькими частицами, какие там могут быть явления. А дальше стали видны ограничения. Например, ни один из этих материалов не излучает свет эффективно, поскольку не обладает люминесценцией. А главное, что на их основе нельзя создавать некоторые полупроводниковые приборы.

Успешные испытания метаматериалов и метаповерхностей дали мощный толчок развития всей индустрии, в частности — к нанофотонике. Эта сфера стала особенно активно развиваться благодаря появлению суперлинз и невозможному ранее разрешению. В нанофотонике лежал огромный пласт гипотез, нуждающихся в экспериментальной проверке, поэтому всё научное сообщество приступило к исследованию области.

Для меня лаборатории — это еще и огромный управленческий опыт, который подразумевает работу с грантами и бюджетирование, поиск перспективных тем и реализацию прикладных систем и носимых устройств. Кому-то может показаться эта часть работы менее интересной, но я смотрю на менеджмент как на необходимость, которая позволяет быть свободнее в выборе исследований и научных методах достижения результатов для всей команды.

Мы начинаем набор в лабораторию в конце второго курса. Жестких требований к успеваемости нет, но мы проводим собеседования, чтобы понять интересы и ценности студентов. На этом этапе они, как правило, мало знакомы с предметом, поэтому важно поставить теоретическую базу, потом давать микрозадачи под присмотром, чтобы закреплять теорию.

В лаборатории студенты не остаются один на один со своими задачами, а работают в группах. Научные руководители и аспиранты поддерживают обмен опытом и помогают им вести проекты, чтобы сформировать научную базу, получить навыки работы на установках.

Может показаться, что для серьезной науки у студентов слишком мало времени, но четыре года бакалавриата и магистратуры (держим в уме, что набор идет со второго курса), а затем еще четыре года аспирантуры формируют взлетную полосу для самых разных проектов.

В первую очередь, дать опыт работы в команде. Студенты учатся коммуницировать, преподносить свои результаты другим людям, соблюдать тайминги и подстраиваться под требования грантов и заказчиков. Во вторую очередь, написание статей, курсовых и отчетов учит структурировать данные, чтобы ими могли пользоваться другие инженеры.

При этом мы видим, как часть студентов пробует себя в ИТ, часть занимается стартапами, потому что уже знает, как менеджерить проекты и команды.

Обычно мы берем в лабораторию студентов с третьего курса, хотя иногда появляются ребята и со второго. Дело в том, что до третьего курса времени на научную работу в учебном плане не выделяется. Чтобы попасть к нам в лабораторию, студентам не нужно сдавать тесты или экзамены, важна заинтересованность в дальнейшем обучении и готовность проводить научные исследования. С каждым студентом мы общаемся лично и стараемся рассказать о том, чем занимается лаборатория, чтобы не создавать у него ложных ожиданий.

Первые исследовательские задачи знакомят студентов с оборудованием, теоретическими и экспериментальными аспектами работы, в нашей области исследований. Например, чтобы заниматься исследованиями электролюминесценции образцов, нужно сначала разобраться с физическими основами данного эффекта в полупроводниках и понять, как работает экспериментальная установка, за что отвечает каждый из ее блоков. Затем освоить способы обработки полученных экспериментальных данных. Только после этого они будут готовы заниматься реальными научным задачами. После получения первых значимых результатов мы готовим младших коллег к выступлениям на научных студенческих конференциях, например на SPB Open, а также к написанию статей.

За время обучения студента в бакалавриате и магистратуре его направление научно-исследовательской работы может измениться. Однако, если студент решает поступить в аспирантуру, то мы закрепляем за ним определенную научную тему. В следующие четыре года обучения он развивает ее, получает результаты для статей, выступает на научных конференциях и пишет кандидатскую диссертацию. При этом работа в лаборатории эволюционирует и после завершения аспирантуры. Для кандидата наук открывается больше дверей при соискательстве грантов.

Обычно на грант подается научный коллектив, где сотрудник без степени может быть исполнителем очень ограниченного списка задач. От опыта сотрудников и их регалий во многом зависит успех получения и выполнения гранта, поэтому руководство вузов и лабораторий вкладывается в развитие кадров и поддержку мотивации заниматься серьезными исследованиями.

Мы начинаем работу еще со старшеклассниками. Ученики попадают к нам во время дней открытых дверей, либо мы сами приходим в школы и рассказываем, чем занимаемся. Для активных ребят у нас есть разные форматы сотрудничества, но чаще всего джуниор-сотрудники нашей кафедры получают задачи, связанные с химическим синтезом, светодиодами или теоретическими расчетами.

Многие студенты приходят к нам уже на первом курсе, но мы стараемся давать задачи дозированно, чтобы за каждым теоретическим блоком было практическое подтверждение. На втором курсе можно создать свой собственный светодиод или солнечный элемент, а с таким опытом можно идти на производство. Мы построили такую систему, чтобы магистрант был вовлечен в несколько проектов одновременно, имел ряд научных публикаций, поэтому в аспирантуру входил готовым ко всему.

Отдельный трек развития — участие в конференциях. В Петербурге множество городских, но мы стараемся поддерживать поездки студентов и на всероссийский и международном уровне. Навык создания докладов и выступлений помогает лучше погружаться в индустрию, «обрастать» нетворкингом и смотреть шире на то, что происходит в профессиональной среде, поэтому к публичности нужно готовиться сразу.

Наша лаборатория больше 15 лет ведет фундаментальные исследования в области нелинейной оптики и магнитооптики — можно сказать, это ядро нашего проекта. Конечно, иногда мы исследуем смежные области, когда читаем научные статьи коллег, получаем заказы от бизнеса или видим классные идеи на конференциях. Например, сейчас мы идем в ногу с мировым трендом: исследуем и тестируем работу перестраиваемых оптических фильтров для обработки изображений. Технология находит свое применение как в медицине для глубокого анализа тканей, так и в компьютерном зрении.

Это особенно важно для беспилотных автомобилей, медицинской визуализации или компактных умных датчиков, где нужно обрабатывать гигантские потоки изображений практически мгновенно.

Мы стараемся не хватать идеи из воздуха, а отталкиваться от разработок, в которых уже накопили годы опыта. Наши задачи условно можно разделить на три потока: входящие запросы от вендоров, собственные исследования и коллаборации.

Например, в прошлом мы плотно работали с R&D-центрами Huawei и Samsung. Когда компании хотят исследовать какую-то перспективную область, будь то настройка метаповерхностей для использования в лидарах или квантовые точки для QLED-экранов, они приходят в университетские лаборатории, чтобы найти области пересечения. Чаще всего такие исследования поручают сразу нескольким лабораториям, чтобы в итоге скомпилировать лучшие решения.

На мой взгляд, научные исследования — игра в долгую. От момента высказывания научной идеи до ее реализации могут пройти десятилетия и еще больше времени может потребоваться на ее адаптацию для промышленного производства. Наша лаборатория занимается поисковыми научными исследованиями и публикацией их результатов в научных журналах, не предлагая готовые экономически выгодные прототипы приборов.

Наша лаборатория специализируется на исследованиях микролазеров и других компонентов фотонных интегральных схем. Мы также занимаемся фотолюминесценцией и электролюминесценцией полупроводниковых гетероструктур.

Изображение микродискового лазера диаметром 40 мкм, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Источник: из личного архива

Сейчас мы исследуем в основном полосковые лазеры, фотонные интегральные схемы, фотоприемники, а также микродисковые лазеры.

Как проходят такие опыты? Сначала мы решаем, какие эффекты мы бы хотели изучить и какими свойствами для этого должен обладать образец. Ростом гетероструктур и их постростовой обработкой наша лаборатория пока не занимается, поэтому мы сотрудничаем с другими научными группами из ФТИ им. Иоффе, Академического университета, Южного федерального университета и др. По этой причине мы заказываем у сторонних лабораторий образцы с нужными свойствами. Они выращивают гетероструктуру и при необходимости проводят ее постростовую обработку. Затем мы проводим исследования образца уже на нашем оборудовании, изучая его спектральный состав, пороговые и мощностные характеристики или другие свойства.

Наша лаборатория появилась на средства мегагранта, полученного в 2016 году. Финансирование было рассчитано на пять лет вперед, но очевидно, что никто не мыслит категориями, что теперь мы обязаны сделать научное открытие за этот период. Мы достаточно свободны в выборе тем, хотя грант задает общую рамку: нанофотоника для оптоэлектроники и субинитальные исследования. При этом мы также занимаемся созданием солнечных элементов, светодиодами, сверхкомпактными нанолазерами — недавно побили собственный рекорд, уменьшив их размер с 310 нм до 200 нм.

Мы вовремя подхватили мировой тренд, связанный с исследованием недорогих полупроводниковых материалов с простым процессом синтеза. Первые несколько лет этого проекта мы развивали направление по интеграции кремниевых наночастиц и резонансных электронных частиц с оптоэлектронными устройствами. Главными «героями» были у нас галогенидные перовскиты. Это относительно новый класс материалов, который сейчас является одним из самых перспективных для создания солнечных батарей.

Сейчас мы продолжаем изучение нанофотоники для создания и улучшения оптоэлектронных устройств. Мы также создаем перовскитные светодиоды и излучатели. В отдельное направление у нас формируются биомедицинские разработки. Мы активно исследуем область носимых устройств: различные трекеры и аналитические программы, которые могут давать исчерпывающую картину в реальном времени, основываясь на показателях гемоглобина.

Наша лаборатория активно интегрируется с китайскими инженерными вузами, а преподаватели получают возможность работать по обмену и читать полноценные курсы зарубежной аудитории. Самый яркий пример — МГУ-ППИ в Шэньчжэне, открытый совместно с Пекинским политехническим институтом. Кроме этого, ведутся проекты с Южной Кореей и Японией. Продолжается работа с итальянскими вузами, но ключевое направление иностранного развития, конечно, Китай.

Сейчас я готовлюсь к четвертой командировке в китайский университет, где буду читать курс и проводить эксперименты в местной лаборатории. Такой опыт позволяет смотреть на профессиональную область с разных сторон, перенимать экспертизу коллег и распространять ее уже на собственных студентов.

Мне нравится наблюдать, как развиваются связи между нашими научными группами, позволяя нам обмениваться знаниями напрямую, без конференций, статей и докладов, получая дополнительно опыт работы с отсутствующим у нас современным научным оборудованием.

В последние годы мы много работаем в рамках проекта «Зеркальные лаборатории», который объединяет НИУ ВШЭ и организации-партнеры для совместных научных исследований. Проект получает организационную и финансовую поддержку, а наша лаборатория находит партнеров в других институтах. Вместе мы планируем бюджет и распределяем обязанности внутри проекта — чаще всего это зависит от оборудования, которое есть у каждой лаборатории.

Сотрудничаем с лабораториями из других российских вузов и с зарубежными исследовательскими группами. Например, вместе с лабораторией эпитаксиальных технологий Южного федерального университета в Таганроге исследуем источники оптического излучения для интегральной оптоэлектроники. А с Институтом физики имени Б. И. Степанова НАН Беларуси в Минске работаем над гетероструктурами и микролазерами.

Сейчас у нас первый приоритет — взаимодействие со российскими вузами и институтами. У нас выстроены хорошие контакты с лидирующими исследовательскими командами, например, в МГУ и СПбГУ, Алферовским университетом и МФТИ. Появляются совместные проекты с академическими лабораториями из Новосибирска и с Владивостока. Мы приглашаем к себе стажеров из других лабораторий и сами часто ездим к партнерам, чтобы получить опыт работы на установках, которых у нас нет.

Несколько лет назад мы создали совместный распределенный центр между ИТМО и Харбинским инженерным университетом в Китае. Мы наладили симметричный опыт обмена студентами и преподавателями, которые читают курсы, проходят здесь долгосрочные стажировки (до года), либо уже поступают и учатся в аспирантуре в ИТМО. Мы довольны результатом, и кажется, что острую потребность в международной кооперации закрыли.

Мы продолжаем взаимодействовать с нашими выпускниками, которые сейчас работают на временных контрактах за рубежом. Например, в Сингапуре или Швейцарии. Это также позволяет держать руку на пульсе и ожидать скорого возвращения наших выпускников с уникальными наработанными компетенциями в области фотоники.

Опыт экспертов показывает, насколько разнообразна может быть работа в университетских лабораториях: международное сотрудничество и преподавание, глубокая исследовательская деятельность, собственные проекты и воплощение почти фантастических идей в повседневной жизни.

Фотоника как направление физики в последние годы получила мощный виток развития благодаря прорывным открытиям метаматериалов и новейшим технологиям лазеров. При этом исследованиями в этой области заняты не только специализированные лаборатории, но и вузовские структуры. Причем вузы охватывают всю парадигму: от теории и расчетов до исследований и создания устройств, поэтому студенты могут выбрать любую подходящую область для изучения. В последние годы вузовские лаборатории фотоники также активно налаживают сотрудничество, поскольку сама область объемами неизведанного располагает к командной работе.

Вне зависимости от того, какой путь будет выбран после бакалавриата, лаборатории помогают заложить базу не только для научного трека, но и для работы на производстве, в вендорской разработке или для открытия собственных проектов.