Физик Ильдар Габитов о биофотонике, миниатюризации электронных устройств и крупнейших оптических центрах мира.

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс "Фотоника и квантовые материалы", посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этом материале руководитель магистерской программы "Фотоника и квантовые материалы" Сколтеха Ильдар Габитов рассказывает об адресной доставке лекарств, задачах компьютерного моделирования и лидирующих центрах обучения фотонике в России.

Наш центр ведет исследования на стыке двух ключевых областей науки и технологии - фотоники и квантовых материалов. При разработке магистерской программы мы объединили курсы, посвященные изучению взаимодействия света с веществом, с курсами, раскрывающими основные свойства квантовых материалов. В будущем мы планируем ввести курсы, которые дают магистрантам основополагающие знания в области биофотоники.

Базовые знания курса "Фотоника и квантовые материалы" касаются взаимодействия света с веществом, генерации, детектирования и управления светом. В настоящее время для решения этих задач особое значение приобретают новые материалы. Например, в классической оптике основными элементами являются линзы и зеркала, изготовленные из материалов высокой степени однородности. Модификация поверхности оптических элементов существенно влияет на их оптические свойства, примером являются тонкопленочные просветляющие покрытия объективов. Современные технологии продвинулись существенно дальше и позволяют создавать структурированные материалы с уникальными оптическими свойствами. Размер элементарных структур может быть значительно меньше длины волны света. Во многих случаях свойства этих материалов определяются квантовыми эффектами.
Наряду с фундаментальными исследованиями наш центр занимается проблемами, имеющими прикладное значение. Это, например, компактные модуляторы света, гибкие дисплеи, элементы эластичной оптоэлектроники, эффективные источники света. Планируется ввести курсы, которые дают магистрантам основополагающие знания в области биофотоники.

О биофотонике

Биофотоника - это стремительно развивающаяся область науки, направленная как на изучение основ живых систем, так и на продление и улучшение качества жизни человека. Одним из важных направлений биофотоники является адресная доставка лекарств. В настоящее время большинство медицинских препаратов оказывают воздействие на весь организм в целом. Важная задача - сделать так, чтобы препарат попадал в нужный орган, а его лечебные свойства активизировались по мере необходимости.

Другим примером является плазмонная терапия, которая предназначена для диагностики и лечения опухолей. Металлические наночастицы, заключенные в оболочку из поверхностно-активных веществ, доставляются и селективно прикрепляются к пораженным участкам тканей. Внешнее электромагнитное воздействие способно индуцировать колебания электронов, приводящие к нагреву металлической наночастицы до высокой температуры. Локальный нагрев может быть использован как для разрушения клеток опухоли, так и для эффективной визуализации пораженных тканей методами ультразвуковой диагностики. На основе аналогичных методов плазмонного резонанса работают высокочувствительные сенсоры, которые позволяют детектировать химические и лекарственные вещества, болезнетворные агенты. Эти направления являются приоритетными в деятельности лаборатории биофотоники.

О специалистах нового типа

Для развития направления фотоники и квантовых материалов необходимы высококвалифицированные специалисты в области теории, компьютерного моделирования, экспериментальных исследований и технологий. 

В настоящее время происходит непрерывное усложнение объектов, методологий и инструментов экспериментальных исследований, обусловленное в первую очередь необходимостью создания современных высокоэффективных функциональных устройств. Возрастающая сложность прикладных задач требует развития теоретических основ, которое невозможно без компьютерного моделирования. Совокупность этих факторов предъявляет высокие требования к специалистам, работающим в этой области. Они должны хорошо понимать физику процессов, наблюдаемых в эксперименте, владеть методами математического моделирования. 

С другой стороны, технологические методы и приемы также становятся все более сложными. Например, современные объекты исследования зачастую сложно структурированы и имеют характерные размеры менее 100 нанометров. Для создания таких образцов и работы с ними необходимы специалисты, обладающие навыками работы на молекулярном и атомарном уровне, способные конструировать объекты из наноразмерных компонентов. Для этого требуется умение работы в чистых помещениях. 

Работа с современными экспериментальными установками, которые с каждым новым поколением становятся все более сложными, требует не только инженерных, но и фундаментальных знаний в области физики, химии, биофизики и других областях науки. Специалисты должны иметь представление обо всех этапах исследовательского процесса: технологии изготовления объектов исследования, экспериментальный анализ, теоретические модели.

О нерешенных проблемах

Электроника является примером технологии, существенным образом повлиявшей на все сферы человеческой жизни прошедшего века. Однако бурное развитие электронных технологий во второй половине прошлого века натолкнулось на ограничения физического характера. Это связано с процессом миниатюризации и высокой степени интеграции электронных устройств. Например, современный микропроцессор бытового компьютера содержит примерно миллиард транзисторов. За последние 10 лет возрастала сложность микропроцессоров, менялась архитектура, возрастала компьютерная память, но тактовая частота процессоров не росла. 

Первая проблема заключается в том, что каждый транзистор в процессоре нужно соединить проводником - проволочкой. Рост числа соединений в единице объема сопровождается ростом паразитных сопротивлений, индуктивностей и емкостей. Это приводит к возрастанию времени релаксации, что ограничивает дальнейший рост тактовой частоты процессора. Вместо проволочек пытаются использовать оптические волноводы, называемые оптическими межсоединениями, свободные от этих недостатков и обладающие значительно большей пропускной способностью, однако прогресс в этом направлении пока незначителен. 

Вторая проблема также связана с миниатюризацией. Современные технологии освоили технологические масштабы на шкале 15 нанометров, а в экспериментальных лабораториях - 7 нанометров. Размер и границы стали настолько маленькими, что с них легко стекает заряд, из-за чего растет число ошибок. Усиливается тепловыделение, и растущая температура ухудшает эффективность работы электроники. Так происходит потому, что транзисторы, выделяющие тепло, расположены очень плотно. В результате растет тепловыделение в единице объема, и не существует материалов, которые способны эффективно отводить тепло при дальнейшем возрастании степени интеграции. 

Третья проблема заключается в том, что число электронов, принимающих участие в элементарном логическом процессе, достигает критического предела - один электрон. Дальнейшая эволюция в этом направлении невозможна, необходимы иные подходы. 

Возможным решением проблемы является использование фотонов вместо электронов. В информационных технологиях фотоны используются в системах передачи информации вместо электронов. Революционный взрыв, принесший быстрый интернет, произошел, когда вместо электрических кабелей стали использовать оптические волокна. Ожидается, что следующий шаг в информационных технологиях произойдет в связи с обработкой информации оптическими средствами, чего пока еще не произошло. В скором времени вероятно появление гибридных оптоэлектрических процессоров. Однако на этом пути возникает несколько существенных проблем. 

Во-первых, электрон имеет заряд, им можно управлять при помощи магнитного или электрического поля, а фотон нейтрален. Создание эффективных методов управления потоком фотонов является вызовом научному сообществу. 

Во-вторых, современные электронные технологии "работают" на масштабах 15 нанометров, а с другой стороны, фотон нельзя поместить в объем, характерный линейный размер которого меньше длины волны света. Длина волны света, на котором работают современные телекоммуникационные системы, составляет около 1550 нанометров, что в 100 раз больше размеров, на которых "работает" электронная технология. Это обстоятельство является препятствием на пути оптоэлектронных устройств высокой степени интеграции. 

Наконец, огромным достоинством технологии электроники является то, что микропроцессоры изготовляются методом печати с использованием световых технологий. Аналогичных технологических методов для печати устройств фотоники пока не существует. Технологическим вызовом на пути создания оптоэлектронных устройств высокой степени интеграции является создание высокопродуктивной и дешевой технологии, интегрирующей оптическую и фотонную технологию. 

Мы 15-20 лет тому назад не имели представления о функциональных возможностях современных гаджетов. Эти возможности возникли в результате перехода дискретной электроники к электронике высокой степени интеграции. В настоящее время начинается процесс перехода устройств дискретной фотоники к оптоэлектронике высокой степени интеграции. Сегодня так же трудно фантазировать на тему, к чему может привести этот процесс, как это было в свое время с электроникой. Может повыситься скорость обработки информации, возникнут новые системы хранения данных, возникнут голографические системы визуализации. Однако неясно, какие функциональные возможности появятся у фотонных устройств следующего поколения и удастся ли добиться частичной совместимости с электроникой.

О лидирующих мировых центрах фотоники

В России лидирующий центр с точки зрения обучения фотонике - это Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Хорошо поставлено обучение в Новосибирском госуниверситете, Московском физико-техническом институте и Национальном исследовательском ядерном университете "МИФИ". В Сколтехе созданы две первоклассные, хорошо оборудованные лаборатории, после переезда в новый кампус в начале 2018 года начнут работу еще две новые лаборатории. 

В Соединенных Штатах крупнейшие оптические центры находятся при университетах Аризоны, Флориды и Рочестера. Строится мощный центр в Массачусетском технологическом институте, имеется несколько очень известных лабораторий в ряде крупных университетов, таких как Колумбийский, Корнельский, Университет Калифорнии, Беркли.

Крупные английские центры фотоники находятся в университетах Саутгемптона и Астона, в Имперском колледже Лондона, Оксфорде и Кембридже. В Германии фотоника очень хорошо представлена в университетах Карлсруэ и Институте науки о свете Макса Планка в Эрлангене, хорошо развиваются оптические центры Сингапура, Японии, Тайваня и Китая, Южной Кореи.

О будущем выпускников Сколтеха

Студенты Сколтеха после окончания магистратуры имеют возможность выбора: продолжить обучение в аспирантуре, работать в промышленности или заняться бизнесом. Обучение в аспирантуре можно продолжить как в Сколтехе, так и в других учебных заведениях. Для того чтобы приобрести навыки работы на производстве, в Сколтехе организована производственная летняя практика. Кроме того, формируется программа, в рамках которой студенты будут обучаться и проходить практику для работы в IPG Photonics, практиковаться в концерне "РТИ Системы". Мы рассчитываем на сотрудничество с холдингом "Российские космические системы", а также с госкорпорациями, компаниями большого и среднего размера. Программой обучения в Сколтехе предусмотрены курсы, ориентирующие студентов на создание частного бизнеса.

Ильдар Габитов,

кандидат физико-математических наук, профессор, директор центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, профессор факультета математики University of Arizona, ведущий научный сотрудник Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН

Похожие новости

  • 02/10/2017

    Корейский ученый рассказал, что мешает клонированию человека

    На сегодняшний день клонирование - это не фантазия авторов фильма "Шестой день" с Арнольдом Шварценеггером. Это полноценная индустрия, которая меняет нашу жизнь. Корреспондент ТАСС Станислав Варивода побывал в корейской компании Sooam Biotech Research Foundation, где ученые выращивают мамонта из пробирки, заменяют ДНК с помощью силы джедая и возвращают из мертвых любимых питомцев.
    366
  • 27/02/2017

    Иван Звягин: персональная медицина будет слишком дорогой для людей

    ​Научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Иван Звягин рассказал о том, какие проблемы стоят на пути "наук о жизни" в России и коммерциализации их результатов, почему персональная медицина пока остается мечтой и о том, почему медицинские стартапы нередко проваливаются.
    1208
  • 28/03/2017

    В Новосибирске экзопротез кисти напечатали на 3D-принтере

    Инженеры из новосибирского Инновационного медико-технологического центра (медицинский технопарк) проводят испытания нового типа экзопротеза кисти, напечатанного на 3D-принтере из пластмассы с «памятью формы» и покрытием из сверхпрочного карбона.
    839
  • 12/03/2018

    В «Сколково» создадут первый российский дешифратор генома

    Российский стартап впервые разрабатывает отечественный геномный секвенатор в «Сколково». Этот прибор будет расшифровывать ДНК человека и поможет выявлять предрасположенность к тем или иным заболеваниям.
    244
  • 19/09/2018

    Конкурс биотехнологических стартапов Patents Power

    Компания Bayer и Фонд «Сколково» объявили конкурс биотехнологических стартапов Patents Power. Цель проекта - поиск перспективных идей и инновационных решений с высоким потенциалом защиты интеллектуальной собственности, которые в перспективе смогут помочь в лечении сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных новообразований, женского здоровья и офтальмологии.
    310
  • 04/10/2017

    Степан Данилов: «Сколково» – это дауншифтинг для хорошего стартапа

    Развитие инновационного бизнеса – самая животрепещущая тема в последнее время, если судить по инфоповодам. «Точка кипения» от Агентства стратегических инициатив, новосибирский консорциум, в который вошли технопарк, СО РАН и НГУ, Национальная технологическая инициатива, функционирование ФРИИ и РВК – повестка дня достаточно обширная.
    653
  • 10/08/2017

    Российско-французское научное сотрудничество: непреодолимых проблем нет

    ​"У российско-французского научного сотрудничества нет непреодолимых проблем": к такому выводу пришла автор пока не опубликованного исследования д.э.н Ирина Дежина, руководитель группы по научной и промышленной политике Сколтеха.
    462
  • 27/08/2018

    Эксперты считают драйверами развития Новосибирской области медицину и электронику

    ​Стратегия развития Новосибирской области до 2030 года, предполагающая обеспечение экономического роста региона, должна быть принята в 2018 году. Региональные эксперты и представители крупных предприятий рассказали ТАСС, какие отрасли должны в нее войти и чем может помочь им государство.
    257
  • 26/02/2018

    Биодеградируемые материалы будет продвигать «Альфамедика»

    - Проект по биодеградируемым материалам мы реализуем совместно с НИИ органической химии СО РАН. В 2018 году были получены первые образцы и прототипы продукции, мы показали их врачам, в принципе все понравилось.
    206
  • 15/08/2017

    К чему ведет редактирование генома

    ​Недавно в журнале Nature была опубликована статья, рассказывающая об успешном исправлении мутации в ДНК человеческого зародыша при помощи геномного редактора CRISPR/Cas9. Возможность устранения ошибок в геноме ведет к абсолютно новой ситуации, которая разворачивается на наших глазах.
    769