Электроника будущего

Раньше считалось, что сверхпроводимость и магнетизм боятся друг друга как черт ладана. Но современные наноструктуры доказывают обратное. Российский физик-теоретик и индийские экспериментаторы объединились, чтобы создать электронику будущего — без потерь энергии. Наталия Пугач, профессор департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ, ведущий научный сотрудник Научно-учебной лаборатории квантовой наноэлектроники, рассказывает о том, как давнее знакомство в Кембридже переросло в проект зеркальной лаборатории с Индийским технологическим институтом Бомбея (IIT Bombay), как устроена сверхпроводящая спинтроника и что удивляет исследователя в Индии за пределами университетского кампуса.

— Правильно ли я понял, что ваша стажировка в Индийском технологическом институте Бомбея (IIT Bombay) будет способствовать созданию полноценной зеркальной лаборатории по сверхпроводниковой спинтронике? Часто научные командировки заканчиваются просто публикацией статьи или того скромнее. Что позволило превратить ваш визит в столь масштабный совместный проект? Была ли это случайная идея, прозвучавшая в кулуарах, или результат давно выстроенного диалога?

— Мы очень надеемся на долговременное партнерство. Наша деятельность была включена в протокол о намерениях по развитию сотрудничества с IIT Bombay, подписанный ректором НИУ ВШЭ Никитой Юрьевичем Анисимовым во время его визита в Индию. Я тоже входила в состав делегации. Ректорами обоих университетов запланировано создание полноценной совместной зеркальной лаборатории по сверхпроводящей спинтронике.

Совместная статья по этой теме уже подана, другая подготовлена к печати. Кроме того, запланирован российско-индийский воркшоп. Индийский партнер приглашен на партнерскую неделю, а я — оппонировать PhD-диссертацию в Индии. Также возникли два направления по расширению сотрудничества с российскими экспериментаторами.

Мы с моим индийским коллегой познакомились очень давно, более 10 лет назад, в Кембридже, где он был постдоком, а меня пригласили дать семинар. После доклада проходило обсуждение с местными аспирантами и постдоками их экспериментальных результатов. Результат нашего партнера был действительно очень интересным и, кстати, не объяснен до сих пор. Так что в одной области мы оказались совсем не случайно и довольно давно работаем в близких направлениях.

Пару лет назад я неожиданно получила письмо от молодого профессора из Индии с предложением о сотрудничестве. Надо сказать, я очень обрадовалась. Но общение путем редких онлайн-совещаний с ним и его аспирантами было достаточно затруднительно. Все профессора — люди занятые. Настоящим прорывом стала поездка на стажировку по программе НИУ ВШЭ. Мы засиживались до ночи с аспирантами, обсуждая новые идеи и экспериментальные результаты. Кажется, мне как теоретику удалось объяснить некоторые из них. В чем-то мы нашли друг друга по науке: у нас общий научный интерес — гибридные структуры для сверхпроводящей спинтроники. В этой области в моей научной группе есть значительный теоретический задел, а у партнеров — уникальное оборудование и технология, недаром IIT Bombay является вторым (а иногда и первым) из индийских университетов в международном рейтинге.

— Сверхпроводниковая спинтроника — это область на стыке двух сложнейших дисциплин. Возможно ли объяснить просвещенному обывателю то, чем занимаются исследователи в данной области, какие проблемы решают?

— Уже на ранних стадиях исследования было установлено, что сверхпроводимость и магнетизм — взаимоисключающие явления, которые как черт ладана боятся друг друга. И это своего рода проклятие на протяжении многих десятилетий главенствовало в физике ХХ века. Однако развитие нанотехнологий в последние 10–15 лет позволило опровергнуть эту точку зрения. Оказалось, что в искусственных композитных наноструктурах сверхпроводник — магнетик наблюдается целый класс явлений, не имеющих аналогов в объемных материалах. Мы проводим фундаментальные исследования принципиально квантовых физических явлений на стыке сверхпроводимости и магнетизма и при этом стараемся, чтобы открытые эффекты могли служить основой для создания новых устройств этого перспективного направления электроники. Для передачи информации спинтроника старается использовать не заряд, а еще одно свойство электрона, называемое «спин». Он связан с магнитным моментом, т.е. каждый электрон — как маленькая стрелка компаса, и эти стрелки могут показывать в разных направлениях, таким образом кодируя информацию. А сверхпроводники обеспечивают макроскопическую квантовую когерентность, или электрический ток без ненужного разогрева проводника. Таким образом обеспечивается передача информации на заметные по масштабам электронных устройств расстояния без потери энергии. Кстати, за обнаружение макроскопических квантовых явлений в сверхпроводящих устройствах была вручена Нобелевская премия прошлого года.

— В материале на портале сделан акцент на том, что новые разработки нужны для спасения дата-центров от энергетического коллапса. Насколько эта практическая проблема близка к вашим фундаментальным исследованиям? Существует ли уже мост между физикой сверхпроводников и конкретными инженерными решениями для серверов, или пока рано об этом говорить?

— Как прошедший XX, так и нынешний XXI век однозначно можно назвать веком того, что в обиходе называют электричеством. Это явление очень многоликое, и одним из его проявлений является протекание электрического тока, что позволяет передавать энергию (и, соответственно, информацию) по проводам. Однако, как известно любому школьнику, электрический ток приводит к разогреву проводника, по которому он течет. В таких приложениях, как электрочайник или кипятильник, это свойство играет центральную и положительную роль, но в огромном большинстве других — отрицательную из-за ненужных энергетических потерь. Например, в современной микро-, точнее сказать, уже наноэлектронике локальный разогрев является серьезнейшей проблемой на пути дальнейшей миниатюризации. В 1911 году было открыто явление сверхпроводимости: в некоторых материалах при низких температурах электрический ток протекает без всяких потерь, или, формально, сопротивление сверхпроводящего провода равно нулю. Сверхпроводимость — уникальное квантовое явление, и за так или иначе связанные с ним исследования уже было присуждено 7 Нобелевских премий. Последняя — в 2025 году.

Устройства спинтроники уже используются в современных компьютерах с 1990-х годов для записи и считывания информации. Сейчас это огромная область, сочетающая разнообразные магнитные материалы. Управлять потоком спинов, тех самых магнитных стрелочек, иногда бывает проще в плане энергозатрат. Сверхпроводимость же обеспечивает поток электронов без потерь энергии вовсе. На стыке этих двух дисциплин создаются принципиально новые устройства, непохожие на элементы обычной полупроводниковой электроники, которая до сих пор в значительной мере опирается на представления классической (доквантовой) физики. Именно это и является причиной того, что полупроводниковая электроника достигла естественного предела миниатюризации в своем лавинообразном развитии. Так что сверхпроводящая спинтроника — это электроника будущего.

— Интересно, что координация этого проекта идет через петербургский кампус Вышки. Как выстроена эта логистика науки?

— Так сложилось исторически, что петербургский кампус имеет давние связи с индийскими институтами. Они организовывали визит нашего ректора Н.Ю. Анисимова в Индию и включили меня в делегацию. Когда завязалось сотрудничество, коллеги из Петербурга предложили свою помощь в организации, которую мы с благодарностью принимаем и на которую рассчитываем в дальнейшем.

— Помимо науки, не могли бы вы поделиться личными впечатлениями от погружения в индийскую культуру?

— В Индии удивляет практически все. Каждый выход на улицу — это небольшое (а порой и большое) приключение. Конечно, это страна с древнейшей и богатейшей культурой, философией. Страна контрастов. Восхищает их плюрализм, сосуществование разнообразных народов, языков, религий и социальных слоев, иногда на редкость тесное, понимание того, что если рядом кто-то совсем не такой, как ты, то это тоже нормально. В этой связи вызывают интерес мероприятия Центра социокультурных исследований ВШЭ. Отнюдь не претендую на профессионализм в культурологии и политологии, но мне кажется, что Индия — именно та страна, которая в силу ряда исторических причин находится ближе всего к пониманию многополярности мира.

Пользуясь случаем, хочу поблагодарить коллег из Управления академического развития за предоставленную стажировку и открывшиеся перспективы. Неоценима помощь директора МИЭМ, проректора ВШЭ Д.Г. Коваленко. Очень благодарна за оперативное содействие Софии Садыковой, а также вклад коллег из Санкт-Петербурга под руководством директора кампуса А.Ю. Тышецкой, о котором уже писала.

23 апреля

Физика