«Эти исследования способны открыть путь к созданию электроники нового поколения» – Новости – Schola – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Профессор департамента электронной инженерии, главный научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов Московского института электроники и математики (МИЭМ) имени А.Н. Тихонова, руководитель совместного проекта МИЭМ и Федерального университета Рио-де-Жанейро «Влияние конкурирующих взаимодействий и топологии на критические параметры современных сверхпроводящих материалов», победившего в конкурсе «Международное академическое сотрудничество» 2025 года, Аркадий Шаненко.

— В чем цель и актуальность вашего проекта?

— В современной электронике одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся направлений является поиск новых функциональных материалов и метаматериалов с уникальными квантовыми свойствами. По мере того как ограничения традиционных кремниевых технологий становятся все более очевидными, внимание научного сообщества смещается в сторону фундаментальных исследований в области материаловедения. Именно эти исследования способны открыть путь к созданию электроники нового поколения — более быстрой, энергоэффективной и масштабируемой.

Особое место в этом контексте занимает сверхпроводящая электроника, которую справедливо рассматривают как ключевую технологию посткремниевой эпохи. Сверхпроводимость — это квантовое явление, при котором материалы проводят электрический ток без сопротивления. Рабочие характеристики сверхпроводниковых устройств определяются тремя ключевыми параметрами: критической температурой, задающей условия перехода в сверхпроводящее состояние; критическим током, который определяет максимальный ток без потери нулевого сопротивления; критическим магнитным полем, при превышении которого сверхпроводимость разрушается. Увеличение значений этих параметров является центральной задачей современных исследований в области физики сверхпроводящих устройств, поскольку напрямую ведет к созданию более надежных, универсальных решений с возможным широким потенциалом будущих применений.

Кроме того, сверхпроводящая электроника лежит в основе принципиально новых технологий, основанных на квантовых устройствах, не имеющих аналогов в классической электронике. К ним относятся так называемые кубиты — базовые элементы квантовых компьютеров — и квантовые сенсоры, которые способны измерять различные физические величины с недостижимой ранее точностью, например слабейшие магнитные поля или единичные фотоны. Уникальность этих приборов обусловлена тем, что они используют квантовые эффекты, проявляющиеся не на уровне отдельных частиц, а в макроскопических масштабах.

Основной целью нашего проекта является решение широкого круга научных задач, связанных с разработкой и исследованием новых сверхпроводящих материалов и метаматериалов. Мы стремимся как к фундаментальному пониманию квантовых механизмов, определяющих их свойства, так и к поиску путей оптимизации характеристик таких систем. Это включает в себя изучение перспектив их применения в различных сферах: в квантовых вычислениях, в энергоэффективной передаче тока, в медицинской диагностике (например, МРТ нового поколения), в транспорте (маглев-технологии) и в телекоммуникациях (сверхчувствительные приемные системы). Таким образом, наш проект находится на стыке фундаментальной науки и прикладных исследований, направленных на поиск технологических решений будущего.

— Как возникла идея этого проекта?

— Идея данного проекта напрямую связана с деятельностью Центра квантовых метаматериалов, созданного три года назад в НИУ ВШЭ. Основные исполнители проекта являются также сотрудниками центра. В фокусе исследований центра находятся различные полупроводниковые и сверхпроводящие метаматериалы. Метаматериалы — это искусственные структуры разной геометрии, составленные из различных материалов и обладающие свойствами, не присущими ни одному из этих материалов по отдельности. Технологии сегодняшнего дня позволяют создавать композитные системы с такими характерными масштабами, на которых решающую роль играют квантовые эффекты. Таким образом, получаются квантовые функциональные системы, свойства которых можно регулировать, подстраивая под практические нужды.

В контексте сверхпроводящей электроники особый интерес представляют современные сверхпроводящие материалы и метаматериалы, в которых ключевую роль играют конкурирующие взаимодействия и топологические состояния. Связанные с этими явлениями механизмы существенно влияют на критические параметры сверхпроводящих систем, что непосредственно определяет их функциональность. Группа ведущих специалистов, которые создали Центр квантовых метаматериалов и инициировали данный проект, много лет работала в Бразилии, проводя исследования в данной области.

Ответственный исполнитель с бразильской стороны, профессор Мауро Дориа, познакомился с будущими российскими участниками проекта еще в 2006–2007 годах во время совместной научной работы в Университете Антверпена (Бельгия). Дальнейшее развитие партнерства произошло в период активной исследовательской деятельности российских исполнителей в Бразилии. В частности, я с 2013 по 2020 год работал на физическом факультете Федерального университета Пернамбуку (г. Ресифи), а также активно сотрудничал с Институтом физики Федерального университета Рио-де-Жанейро, участвуя в научных семинарах и в комиссиях по защите PhD-диссертаций. Директор Центра квантовых метаматериалов Алексей Вагов в 2013–2022 годах ежегодно совершал длительные научные визиты в Бразилию, будучи стипендиатом престижной программы «Наука без границ». В рамках этих визитов мы вместе руководили работой магистрантов и аспирантов, чьи диссертации защищались в комиссии под председательством профессора Дориа. Михаил Кроитору, еще один ключевой участник проекта с российской стороны, в 2018–2022 годах работал приглашенным профессором в Бразилии, руководил там исследовательскими проектами студентов и аспирантов, а также принимал участие в научных семинарах и конференциях, где тесно взаимодействовал с нынешними бразильскими участниками проекта.

Таким образом, наш проект продолжает давно завязавшееся сотрудничество российских физиков с коллегами из Федерального университета Рио-де-Жанейро, также занятыми исследованиями функциональных свойств метаматериалов, зависящих от конкурирующих взаимодействий и топологии. Между учеными обеих команд давно сформированы устойчивые профессиональные связи, основанные на многолетнем научном партнерстве и личном доверии. Это обеспечивает высокую эффективность коммуникации, согласованность научных задач и служит прочным фундаментом совместных проектов в области квантовых и сверхпроводящих материалов.

— Какие задачи вы ставите?

— Научные задачи проекта связаны с изучением совместно с нашими бразильскими коллегами перспективных сверхпроводящих материалов, метаматериалов и устройств на их основе. Среди ключевых проблем: конкуренция и сосуществование многих сверхпроводящих конденсатов в рамках одного материала; взаимодействие магнитной и сверхпроводящей подсистем в ферромагнитных сверхпроводниках; взаимодействие сверхпроводимости с коррелированным беспорядком; влияние на сверхпроводимость квазипериодической структуры атомов решетки; роль топологических состояний в сверхпроводящих системах.

Образовательная составляющая проекта заключается в активном вовлечении студентов, магистрантов и аспирантов в исследовательскую деятельность. Это создает прочную базу для формирования нового поколения специалистов в области квантовых технологий, востребованных в науке и высокотехнологичном бизнесе.

Прикладной аспект проекта связан с возможностью оптимизации критических параметров сверхпроводников посредством управления конкурирующими взаимодействиями и топологическими эффектами. Как уже говорилось выше, помимо фундаментального интереса, такие разработки имеют большой потенциал практического применения. Заметим, что уже сегодня высокотемпературные сверхпроводники используются в производстве токопроводящих систем с рекордными плотностями тока и в токоограничивающих устройствах. Например, с 2019 года на московской подстанции «Мневники» эксплуатируется сверхпроводниковое токоограничивающее устройство на 220 кВ — один из ярких примеров практического внедрения технологий будущего уже сегодня.

— Какие конкурирующие взаимодействия вы изучаете в рамках проекта?

— Системы с конкурирующими взаимодействиями характеризуются нетривиальной физикой с богатой палитрой явлений, которые интересны не только с академической точки зрения, но и в контексте возможных приложений.

Мы говорим о конкурирующих взаимодействиях, когда в системе имеются различные силы, воздействующие на нее противоположным образом. Важно, что такие силы имеют близкие интенсивности, что выражается в сложном поведении и богатой фазовой диаграмме различных состояний, включая самоорганизацию и соответствующие паттерны в виде модулированных фаз, полосовых структур или доменных узоров. Их теоретическое описание требует значительных вычислительных ресурсов и зачастую реализуется с применением современных методов численного моделирования, включая алгоритмы машинного обучения и элементы искусственного интеллекта.

Классический пример можно наблюдать в магнитных системах, где обменные взаимодействия, способствующие упорядочиванию спинов, конкурируют с тепловыми флуктуациями, вызывающими беспорядок. Другой хороший пример — это конкуренция между силами притяжения (такими, как вандерваальсовы взаимодействия) и силами отталкивания (например, кулоновское отталкивание в заряженных системах).

В рамках нашего проекта основной акцент сделан на следующих типах конкурирующих взаимодействий:

• взаимодействие сверхпроводящей и магнитной подсистем в ферромагнитных сверхпроводниках (например, в пниктидах), где одновременное присутствие двух конкурирующих параметров порядка приводит к уникальным состояниям с высокой чувствительностью к внешним воздействиям;

• сосуществование нескольких сверхпроводящих конденсатов в многозонных сверхпроводниках, где интерференция этих конденсатов приводит к новым эффектам, которые не встречаются в системах с одной зоной проводимости;

• влияние структурного беспорядка на сверхпроводимость, особенно в случаях, когда беспорядок не является случайным, а обладает управляемой пространственной корреляцией;

• квазикристаллы и метаматериалы с квазипериодической структурой, в которых квазипериодичность оказывает сильное влияние на сверхпроводящее состояние, порождая фрактальные паттерны конденсата (это направление открывает возможность изучения сосуществования критических и топологических состояний, характерных для квазикристаллических систем);

• взаимодействие топологических связанных состояний и сверхпроводящего конденсата, включая системы, где сверхпроводимость индуцируется в топологических изоляторах за счет эффектов близости или реализуется в топологических сверхпроводниках.

— Какие результаты вы ожидаете получить?

— Мы планируем провести систематические исследования критических температур, токов и магнитных полей в широком спектре перспективных материалов и метаматериалов, таких как ферромагнитные сверхпроводники с температурой Кюри ниже сверхпроводящей температуры; сверхпроводящие системы с нетривиальными кристаллическими решетками, такими как тришестиугольная решетка кагоме, решетка Либа и графеноподобная решетка шестиугольных ячеек; квазикристаллические сверхпроводники с решетками Пенроуза и Фибоначчи; сверхпроводящие системы с коррелированным беспорядком; топологические сверхпроводящие материалы.

Ожидаемые результаты позволят оценить применимость указанных систем для создания элементной базы сверхпроводящей электроники. Полученные научные данные будут иметь фундаментальную значимость для понимания природы новых сверхпроводящих фаз и будут представлены в публикациях в ведущих международных научных журналах.

Помимо научных результатов, важным достижением проекта станет укрепление и институционализация сотрудничества с бразильскими коллегами, в частности участие в деятельности нового Института перспективных квантовых материалов, создающегося в Бразилии. Реализация проекта станет основой долгосрочной научной кооперации между Вышкой и этим институтом и откроет возможности для совместных исследований, стажировок и академического обмена.

— Как результаты вашего исследования могут повлиять на разработку новых сверхпроводников с улучшенными характеристиками?

— Данный проект имеет значительный потенциал для практического применения в нескольких ключевых областях современной науки и технологий, прежде всего в создании и развитии посткремниевой электроники.

Одним из главных направлений проекта является исследование сверхпроводников и метаматериалов для создания новой элементной базы микроэлектроники, способной преодолеть фундаментальные ограничения кремниевых технологий. Современные вычислительные системы сталкиваются с проблемами энергопотребления, тепловыделения и миниатюризации, а квантовые метаматериалы могут предложить альтернативные решения. В частности, сверхпроводящие логические элементы могут обеспечить сверхнизкое энергопотребление и высокое быстродействие. Топологически защищенные состояния могут лечь в основу устойчивых к декогеренции кубитов для квантовых компьютеров. Магнитно-сверхпроводящие гетероструктуры могут быть использованы в спинтронных устройствах, где информация передается не зарядами, а спинами электронов.

Второе перспективное прикладное направление проекта связано с энергетикой. Уже сегодня высокотемпературные сверхпроводники находят применение в энергосистемах. Сверхпроводящие кабели на основе высокотемпературных сверхпроводников позволяют передавать электричество с нулевыми потерями, что критически важно для энергосетей будущего. Успешный опыт эксплуатации сверхпроводящих токоограничивающих устройств (в том числе в Москве на подстанции «Мневники») является примером технологического применения явления сверхпроводимости. Компактные и мощные магниты для томографии в медицине, термоядерных реакторов и ускорителей частиц требуют сверхпроводников с высокой плотностью тока. Также весьма перспективны квантовые сенсоры на основе сверхпроводящих метаматериалов, которые могут применяться в медицине, геологоразведке и системах безопасности. Наши исследования могут быть востребованы в каждом из этих направлений.

— Каковы перспективы дальнейшего развития вашего проекта и его коммерциализации?

— Хотя на текущем этапе проект носит исследовательский характер, ряд факторов говорит в пользу его коммерческой перспективности: устойчивый прогресс в области сверхпроводящих материалов, в том числе создание новых композиций с улучшенными критическими характеристиками; снижение стоимости криогенных технологий, что расширяет сферу потенциальных приложений; рост глобального рынка сверхпроводниковых решений, который, по оценкам аналитиков, может достичь 15–20 млрд долларов уже к 2030 году; повышенный интерес со стороны индустрии — энергетических компаний, производителей медицинского оборудования, разработчиков квантовых и спинтронных устройств.

Мы ожидаем, что сотрудничество с Федеральным университетом Рио-де-Жанейро позволит заложить прочную основу международной кооперации. Мы рассматриваем текущий проект как первый шаг к созданию международного научного консорциума, объединяющего различные исследовательские группы, работающие в области физики новых квантовых материалов. Нами также прорабатываются связи с ведущими национальными командами исследователей из Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н.Л. Духова.

15 октября