В этом выпуске научно-популярной рубрики речь пойдет о большом достижении ученых из CENTERA - Центра исследований и применений терагерцевых технологий под руководством профессора Войцеха Кнапа (Wojciech Knap) и профессора Томаша Скотницкого (Tomasz Skotnicki).
Проф. Войцех Кнап и проф. Томаш Скотницкий. Foto: Archiwum FNP/fot.OneHd/фотосессия Fundacja na rzecz Nauki Polskiej/любезно предоставлено службой PR CENTERA
Но прежде, чем перейти непосредственно к теме поистине переломного открытия, я попросила профессора Войцеха Кнапа представить сам исследовательский центр, в котором оно совершилось.
- В 2018 году на сайте Центра продвинутых материалов и технологий CEZAMAT можно было прочитать, что Польша может стать мировым лидером в производстве терагерцевых сканеров и микроскопов, при условии создания в Варшаве CENTERA. И вот эта высококлассная лаборатория уже активно действует, предлагая, как написано на сайте, «оригинальный подход к науке и технологии в области терагерцевого излучения». В чем суть такого оригинального подхода?
Войцех Кнап: Эта оригинальность состоит в том, что в нашем проекте, или в нашей программе, в нашей лаборатории есть 5 разных исследовательских групп, сотрудничающих друг с другом. И это нормально, так обычно бывает во всех проектах. Но есть одна специфическая группа, в задачу которой входит передача научных результатов промышленному производству. И она должна координировать и собирать результаты всех других четырых групп, чтобы получились интересующие промышленность продукты. Продукты, которые могут либо решать существующие проблемы, либо показывать новые интересные решения и стимулировать развитие техники и технологии в нашей стране. В связи с этим пятая исследовательская группа, ответственная за внедрение, является определенной инновацией. Мы думаем, что CENTERA - исключительна.
- Какова специфика исследований субмиллиметровых волн или иначе терагерцевого излучения в контексте заданий CENTERA?
Войцех Кнап: Это проект, который сочетает в себе физику и электронику. Порой на Западе это называют еlectronic engineering или from basic physics to еlectroniс engineering. Дело в том, что есть много аспектов, нерешенных физикой, и есть много вопросов: как сделать более компактные, недорогие и с уже решенными физикой проблемами устройства и демонстраторы. И специализация CENTERA, то есть, терагерцевое излучение - это такое излучение, которое может заменить рентгеновское. Его можно очень широко применять просвечивая материалы, бумагу, пластмассу в поисках дефектов, а также создавая возможности ускоренной беспроводной коммуникации с использование терагерцевых волн. Например 5G или 6 G будут пользоваться волнами частотой 0,1; 0,2; 0,3 ТГц, то есть субтерагерцевыми. Думаю, в будущем можно будет использовать терагерцы для радаров нового типа. Переход от нынешних радаров миллиметрового диапазона к субмиллиметровым обеспечит значительно более высокую разрешающую способность, то есть, лучшее качество изображения.
- Вот мы и подошли непосредственно к переломному открытию коллектива CENTERA и ваших японских коллег. Самое время похвалиться!
Войцех Кнап: Нашим партнером в этих исследованиях является университет в Сендае (Tohoku University), который находится примерно в 300 километрах к северу от Токио. И это переломное открытие позволяет усилить терагерцевые волны при комнатной температуре. Такого усилителя, построенного на полупроводниках, на легкодоступных материалах, до сих пор физика не нашла, несмотря на то, что искала целых 40 лет. И всё, что удавалось сделать - это генераторы, работающие в низких температурах. А низкие температуры означают наличие холодильных установок, что ведет к повышению стоимости устройств и их малой пригодности в широком применении. Возможность усиления, а затем генерирования при комнатной температуре с применением современных материалов, таких, как графен, - это действительно переломное открытие. И поэтому издание Physical Review X, которое публикует статьи только о таких переломных открытиях, взялся за публикацию нашей работы на эту тему.
- А сейчас у нас на связи другой директор CENTERA - профессор Томаш Скотницкий, который руководит также той самой пятой группой, о которой говорил профессор Кнап. Группа занимается терагерцевыми аппликациями - демонстраторами и трансфером технологий. Могли бы Вы рассказать об этой работе в изложении «для гуманитариев»?
Томаш Скотницкий: Да, конечно. Это нечто новое, новая физика. Как объяснил профессор Кнап, этот диапазон частоты электромагнитного излучения был не столько забыт, сколько никогда не использовался, так как электронные технологии не достигали таких высоких частот, а фотонические технологии не сходили до столь низких частот. В связи с этим терагерцевое излучение оставалось своего рода nomansland (ничьей землей), вне исследования этих двух больших разделов физики. И вот теперь у нас новая физика и новые применения. Самое интересное, на мой взгляд, явление, позволяющее создать устройства, которых до сих пор не было, это факт, что такое излучение проникает сквозь диэлектрические волны. А значит, можно видеть предметы, невидимые в оптическом свете. Пример, который я могу привести - это устройство, которое мы уже создали для просвечивания конвертов. Во многих странах совершенно безнаказанно наркотики или запрещенные субстанции расслылаются с помощью почты, а закон запрещает открывать корреспонденцию. Тем временем, мы не открывая конверт, можем увидеть всё, что в нем находится. Два таких сканера мы уже сделали, и на демонстрационном видео можно посмотреть, как они работают. Это особенно интересно для спецслужб, для почты. Но видеть насквозь можно также в условиях снежной или песчаной бури, и мы уже можем думать о приборе видения для вертолета, который приземляется в песчаной буре в пустыне, так как терагерцевое изучение проникает через пыль, песчинки. Есть, однако, аспект, который мы исследуем в Польше очень интенсивно, и ведем переговоры с крупными польскими производителями топлива. А именно - при помощи этого излучения можно создавать трансмиссионные и абсорбционные спектры. В таких спектрах видны специфические линии для данного продукта, данного химического соединения, и их можно идентифицировать. Такие вещи делаются при инфракрасном излучении, при оптической подсветке, эта техника довольно известная, но никогда не в терагерцевом излучении. Оно позволяет проверять наличие загрязений в продуктах, уровень чистоты, прочность. И это может быть интересно не только для производителей топлива, но других, которым мы также будем предлагать такие исследования. А в будущем - создать такие устройства, которые смогут рутинно чистоту топлива проверять. И третий аспект, о котором я хочу сказать - это производство фармакологических препаратов, и мы планируем вести переговоры также с фармацевтическими фирмами. Машины, производящие упаковки с лекарствами, часто ошибаются, и ячейка остается пустой или, не дай Бог, туда попала таблетка с другим молекулярным составом, которая может навредить пациенту. И такие вещи благодаря терагерцевому излучению можно проверить и обнаружить недостачу или ошибку. Это главные области, которые мы исследуем в CENTERA.
- А в какой степени используется международный опыт? Ведь CENTERA действует в тесном сотрудничестве с учеными из разных стран?
Томаш Скотницкий: Да, и это прекрасная история. Я считаю, что это также большое достижение Фонда во имя польской науки, который с помощью таких программ смог создать в Польше такие условия, что ученые с мировым именем из-за границы решаются подписать конракт и работать в Польше в рамках грантов Фонда. Я хочу подчеркнуть, что это первые такого типа польские гранты, условия которых действительно привлекают ведущих зарубежных ученых к тому, чтобы связать свою научную карьеру с Польшей. До сих пор у нас была такая ситуация, что способные инженеры и ученые, если они хотели иметь контакт с гуру мировой науки и технологии, должны были ехать за границу. Это было единственное решение. Но Фонду польской науки хотелось и удается создать такие условия, чтобы молодые польские ученые могли получить доступ к самым совершенным технологиям, и не выезжая из Польши общаться и сотрудничать плечом к плечу с людьми, о которых они раньше только читали в статьях. Это достойно восхищения.
Автор передачи: Ирина Завиша