Ксенія Баришнікова, ИТМО - про нанотехнології, хамелеонах і нелегкому виборі жінки між наукою і сім'єю

Ксенія Баришнікова - кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник Міжнародного

науково-дослідного центру нанофотоніки і метаматеріалів Університету ИТМО, викладач.

Металінзи і оптичний комп'ютер

- Якими розробками ви зараз займаєтеся в ИТМО? Це наукова діяльність або робота над проектами?

- Я займаюся фундаментальною наукою, це непередбачає кінцевого результату у формі продукту на ринку. Так, у нас є якісь тестові речі - зокрема, цього літа я поїду працювати викладачем в «Сіріус», і там ми будемо робити металінзу для Wi-Fi. Будемо її складати з кульок, розмір лінзи - близько метра. Досить даремний варіант для життя. Але той дизайн, який ми будемо тестувати, в оптиці дуже корисний.

Металінза складається з великого числа пластинок абокульок, що мають розмір порядку довжини хвилі світла і спотворюють напрямок і фазу падаючого випромінювання. Вибудовування пластинок в певному порядку дозволяє фокусувати світло, імітуючи звичайну лінзу. За допомогою металінз можна подолати дифракційну межу, тобто дозволити об'єкти, розмір яких менше довжини хвилі використовуваного світла.

метаматеріали - композиційний матеріал, властивості якого обумовлені не стільки властивостями складових його елементів, скільки штучно створеної періодичною структурою.

Основне моє напрямок - діелектричнананофотоніка. Ця та область нанооптікі, яка вивчає взаємодію світла з наноструктурами, зробленими з діелектриків. Тому там мало поглинання - і інша фізика, ніж у металів.

- Розкажіть про те, що робить Олександр Ханікаев в ИТМО. Наскільки я зрозумів, він разом з колегами створив штучну діелектричну поверхню.

- Так, і в ній поширення електромагнітниххвиль може бути керованим. Я трохи причетна і до цієї області. Можливо, ви знаєте, що останнім часом стала популярна тема топологічних ізоляторів. Це якийсь матеріал - діелектрик в обсязі, але на поверхні може проводити електричний струм. Ми цей концепт перенесли в фотоніку. Це вже світло, який не поширюється в матеріалі, але зате поширюється по поверхні або з особливих інтерфейсів на цій поверхні, які ми конструюємо спеціальним чином. Колеги цим якраз займаються. Я зараз теж вважаю топологічні завдання разом з Максимом Горлач.

- Які сфери застосування у таких діелектричних поверхонь?

- Якщо говорити про топологію, то це, скоріше,далеке застосування в оптичних комп'ютерах, коли нам потрібно управляти шляхом променя на наномасштабе, тобто посилати електромагнітну енергію по якомусь шляху. Ми повинні керувати цим процесом, перемикати його. Але поки це більш теоретичні уявлення, і їх важко пояснити на реальних прикладах.

оптичний комп'ютер - гіпотетичне обчислювальний пристрій, обчислення в якому виробляються за допомогою фотонів, згенерованих лазерами або діодами.

Більшість досліджень фокусуються на замінузвичайних (електронних) компонентів комп'ютера на їх оптичні еквіваленти. Результатом стане нова цифрова комп'ютерна система для обробки двійкових даних. Такий підхід дає можливість в короткостроковій перспективі розробити технології для комерційного застосування, оскільки оптичні компоненти можуть бути впроваджені в стандартні комп'ютери, спочатку створюючи гібридні системи, а згодом і повністю фотонні.

Куди простіше, наприклад, розповісти про металінзе, прояку я вже говорила. Вона знаходить застосування в сучасних девайсах, які нас оточують. У нас є попереднє замовлення на ці металінзи від однієї компанії, яка хоче використовувати їх в ультратонких смартфонах, в камерах для них. Металінзи дають дуже гарне дозвіл.

- Як за допомогою метаматеріалів можна візуалізувати хворі органи?

- До питання медицини у нас на кафедрі підходять зрізних сторін. Є ціле відділення, яке займається удосконаленням технології МРТ, щоб контраст зображення був вище, а опромінювати можна було не все тіло, а конкретну область, щоб час МРТ зменшувалася. Зараз це дуже успішний напрям досліджень, і наші розробки починають застосовувати в лікарнях.

Інша область досліджень - плазмонівнаночастинки. Вони використовуються для виявлення і навіть лікування ракових пухлин. Проникають всередину організму, абсорбуються в тій області, в якій знаходиться новоутворення, і коли ми опромінюємо ці наночастинки, то або там звільняється якісь ліки, або виникає локальний нагрів, що дозволяє проводити лікування.

Фотонні кристали, еволюція і хамелеон

- У темі вашого виступу на Science Bar Hopping - хамелеон. Он-то тут причому?

- Кожен раз, коли я повертаюся в Петербург ібачу ці 50 відтінків сірого, думаю про джунглях - там все зелене, кольорове, красиве, співають райські птахи. І є хамелеон, який як хоче, так і змінює колір. А чому він так може робити, а ми, люди, немає? Щоб з'ясувати це, потрібно згадати все, що нам говорили в школі та університеті, і відповісти на більш головне питання: звідки береться колір?

- Це відомо - колір береться від світла.

- Так, і перше, що це значить - білий колір вжемістить всі кольори веселки. Слідуючи раді Ньютона або групи Pink Floyd (сміється) і використовуючи прості прилади на зразок призми, ми можемо розкласти білий світ в спектр. Хвиля, як відомо, характеризується періодом - і у хвиль різного кольору різні періоди: у синього трохи більше, ніж у фіолетового, і так далі.

Обкладинка альбому групи Pink Floyd - The Dark Side of the Moon

Наше око так влаштований, що він дає різні сигналив мозок, коли на сітківку прилітає світло довжиною 600 нм або 400 нм, наприклад. Для того, щоб наша сітківка розпізнала колір, нам потрібен не один фотон або квант світла, а трохи більше. Вночі світло теж падає на сітківку, але ми можемо бачити тільки контури об'єктів. Вночі, як відомо, всі кішки сірі. При нестачі інтенсивності випромінювання ми розрізняємо тільки, де об'єкти світліше або темніше.

Коли на предмет падає світло, його поверхнющось поглинає. Наприклад, кішка може поглинути синій колір. Тоді відіб'ється і потрапить на нашу сітківку оранжево-червоний. Тому що синій і помаранчевий - компліментарні. Наприклад, хлорофіл - зелений, тому що він поглинає світло червоного і синього кольору.

З іншого боку, у нас є фарби, якими миможемо перефарбовувати об'єкти. Але це не дає можливості змінювати забарвлення так, як це робить хамелеон - за його бажанням. Але що робить фарби, пігменти різними за кольором? Ймовірно, це щось, що знаходиться на молекулярному або атомарному рівні. І скільки існує молекул, стільки існує і переходів в них. А значить будь мінімальне розходження в енергетичних рівнях призводить до того, що вона може кардинально міняти свої властивості. Якщо збуджений рівень відстає від основного рівно на енергію налітаючого фотона, відбувається «чудо» і молекула стає кольоровий.

хамелеон

Можна подумати, що хамелеон - зелений і червоний, тому що є відповідні пігменти. І, можливо, він змінює кольору, тому що, наприклад, меланін здатний розливатися по клітинам.

- Але це не правда?

- Так, виявляється, що у хамелеона взагалі немає зеленого пігменту, а є тільки жовтий там, де він якраз зелений, і трохи червоного.

- І як же він це робить - змінює кольори?

- Ось ми і підходимо до найважливішого. Світло - не тільки квант, але ще і хвиля. І тут потрібно розуміти, якого оптичного розміру повинен бути об'єкт, щоб він ефективно взаємодіяв зі світлом як з хвилею. Об'єкт повинен бути порівняємо з довжиною хвилі. Тут ми і приходимо до понять нанотехнологій і наноструктур.

Тут можна говорити про структурний кольорі, якийбуває трьох варіантів. Перший випадок - багатошаровий відбивач, ряд тонких плівок, накладених один на одного. Наприклад, бензин, розлитий по асфальту, зазвичай виглядає як райдужні плями через інтерференції, тому що світло відбивається не тільки від зовнішньої поверхні, але і від внутрішньої теж. Другий випадок - дифракційна решітка, наприклад, CD-диск, на якому ми спостерігаємо порядки дифракції та різнобарв'я. Щоб грати ефективно взаємодіяла зі світлом, її період повинен бути кратний періоду хвилі світла. Тобто існує прямий зв'язок між параметрами матеріалу і його кольором. Третій випадок - тривимірний фотонний кристал, наприклад, опал. Але насправді це все один випадок - фотонного кристала, але в залежності від його розмірності.

фотонний кристал - твердотільна структура з періодично змінюється діелектричної проникністю або неоднорідністю, період якої можна порівняти з довжиною хвилі світла.

Для фотонних кристалів, як і для звичайних, є «заборонені зони». Тобто для одних енергій фотонів світло відбивається - фотонний діелектрик, а для інших - навпаки, фотонний провідник.

У природі наноструктури часто зустрічаються - цеметелики, особливо тропічні, павичі, афродита (морська миша), що мешкає на морському дні, мавпа, рослини, і, нарешті, хамелеон. Фотонні кристали знаходяться у нього під шкірою. Залежно від його стану змінюється період цих кристалів, а значить змінюється і довжина хвилі світла, з яким вони взаємодіють. У верхньому шарі шкіри у хамелеона розташований тільки жовтий пігмент. Потім ті самі фотонні кристали, в нормальному стані хамелеона відображають синій колір. Синій колір фотонний кристалів в поєднанні з жовтим пігменту утворюють той самий зелений колір хамелеона. Що цікаво, під шаром цих фотонних кристалів знаходиться ще один шар - більш роз'єднаних. Він призначений для відображення інфрачервоного світла, щоб хамелеон не перегріватися. По суті, природа в процесі еволюції створила ідеально оптимізовані структури, що поки, на жаль, недоступно для людини в такому досконало, хоча ми і намагаємося скопіпастіть це у природи.

«Чому я повинна повністю забивати на своє особисте життя заради науки»

- На Science Bar Hopping на диво багато запрошених жінок-вчених. А як з колективом на вашому факультеті? Багато дівчат-фізиків?

- У нас дуже багато дівчат. І ніхто навіть не замислюється, що є якась гендерна проблема або нерівність. Все дуже добре і позитивно. Я жодного разу не стикалася з дискримінацією, якщо ваше запитання мав на увазі саме цю деталь.

- А при виборі професії батьки або знайомі не говорили: куди ти пішла, фізика, оптика, жах?

- У мене сім'я, де мама - інженер, тато -кандидат наук, бабуся - теж інженер. Всі жінки в родині викладали, тому для нас це більше ніж нормально. Мене навіть трохи змушували йти цим шляхом. Але все одно при виборі професії було багато сумнівів.

Я, наприклад, зустрічалася з думкою, що людинауки повинні пожертвувати своїм особистим життям. І якщо чоловік нібито може це зробити, то жінка немає. Але не розумію, чому я повинна повністю забивати на своє особисте життя заради науки, а не просто сприймати своє покликання як роботу, в якій можна добитися успіхів і визначних результатів.

- А чому до сих існує цей стереотип, що кар'єра - це неправильний вибір для жінки?

- Ну а що тут можна сказати? У нас патріархальне суспільство. Але якщо говорити про те, чому ми не зможемо від нього відійти так просто, то проблема полягає в ставленні до жінок. Жінки народжують дітей, дуже часто залишаються одні, ніякої підтримки, як правило, немає, на роботу часто не беруть молодих матерів.

Тому батьки прагнуть убезпечити дівчину,налаштовують її: ти обов'язково повинна бути гарною дружиною, щоб не опинитися в такій ситуації. Але засуджувати всіх людей з такими установками я, звичайно, не готова. Але мені здається, що підтримка держави повинна бути більше і сильніше, особливо по відношенню до жінок, які хочуть мати дітей. У мене, наприклад, поки немає дитини, але хочу в майбутньому завести дітей і сподіваюся, що через це не доведеться залишити науку.

- А як ставитеся до того, що в деяких державах жінок спеціально підтримують в науці, наприклад, грантами, навіть якщо вони нічого видатного не зробили? Чи немає в цьому зворотної дискримінації?

- Звичайно є. І це не дуже добре. Набагато важливіше на етапі дитячого садка, школи, коли жінка дорослішає, більше стежити за процесом навчання, за тим, що роблять і говорять викладачі, щоб вже на цьому рівні ідеї рівності усмоктувалися.

Коли жінка вже виросла - і тут раптововиявляється, що світ належить до сих пір по-різному до чоловіка і жінки, - це викликає суперечливі почуття. Це дивно і неправильно. З іншого боку, існує стипендія для жінок-вчених від L'Oreal. Що в цьому поганого? Не знаю, мені здається, як тимчасовий захід підтримки жінок в науці це нормально, (саме стипендія, а не квоти), але коли-небудь цього вже не буде потрібно.