Как возглавить научную группу: инструкция к применению
/imgs/2019/10/29/13/3632794/b3ef03b485989f2d4410e544b6ba1a40cf6a1d4a.jpg)
MikeMareen/Max Pixel/TNO/Indicator.Ru
В начале октября в Сочи прошла организованная центром фотоники и двумерных материалов МФТИ конференция 2D Materials, одним из докладчиков которой стал руководитель научной группы в Технологическом университете Чалмерса Тимур Шегай. В интервью для Indicator.Ru он рассказал, что представляют из себя дихалькогениды и почему они перспективнее графена, как взаимодействие вещества со светом зависит от размеров и типа взаимодействия и чем работа ученого в Швеции отличается от работы его коллеги в России.
— Тимур, расскажите, какие необычные эффекты возникают при взаимодействии света с веществом на наноуровне?
— Представьте себе золото. Все знают, что это желтоватый металл, очень устойчивый, плохо окисляется, и люди издавна его используют для изготовления украшений, денег, прочих ценных вещей. Но наверное, не многие знают, что, когда частицы золота становятся достаточно маленькими — то есть переходят в размер порядка ста нанометров, — оно перестает выглядеть желтым. В сферической геометрии оно кажется красным — мне кажется, это достаточно интересно. Более того, если частица золота будет еще меньше, порядка одного-двух нанометров, то она становится полупроводником. То есть это уже вообще не металл — это происходит за счет доминирования поверхностных атомов, которые ведут себя иначе, нежели атомы, находящиеся внутри металла. Золото — это лишь пример, почти со всеми материалами наблюдаются подобные изменения. То, что мы привыкли видеть в обычной жизни невооруженным глазом, может сильно отличаться от того, как материалы ведут себя на самом деле — на наноуровне. В общем-то, этим и занимаются нанотехнологии.
— А изучение взаимодействия света с веществом это задача чисто теоретического интереса, или оно может иметь какое-то практическое применение?
— Да, вопрос «А где, собственно, применение?» в последнее время звучит все чаще, и это касается многих сфер науки. В моей сфере — взаимодействие света и материи на наноуровне — действительно задачи в основном теоретические. А вообще взаимодействие света с веществом — совершенно обычный эффект, который наблюдается постоянно, и именно он определяет всю нашу обычную жизнь. Вот мы сейчас с вами разговариваем, но это происходит только за счет взаимодействия света с веществом. Инжиниринг этого взаимодействия на наноуровне позволяет достичь необычных эффектов — свет и материя «перемешиваются» в новое, неразделимое состояние, оно одновременно и световое, и вещественное. И это приводит к целому ряду приложений.
С одной стороны, это интересно для квантовой оптики. Существуют такие вещи, как оптически нелинейные взаимодействия, и тут было бы интересно создать вещество, которое бы взаимодействовало со светом настолько сильно, что была бы большая разница между взаимодействием вещества с одним или двумя фотонами. Что касается материалов… С недавнего времени в науке появился сильный интерес, связанный с возможностью изменять свойства материалов за счет сильной связи с оптическими резонансными модами. Есть несколько исследовательских групп, которые активно этим занимаются. Некоторые утверждают, что даже химия основного состояния, то есть термическая химия, может сильно меняться, если мы переходим на уровень сильного взаимодействия света с веществом.
Пока для меня остается не совсем ясным, действительно ли там происходят изменения основного состояния, но по поводу возбужденных состояний мы точно можем сказать, что там изменения есть, и они достаточно очевидны, — меняется динамика поведения возбужденного состояния, что, естественно, будет отражаться на фотохимии. Это мы просто можем подтвердить экспериментами в нашей собственной лаборатории. Важно, что эти вещи сейчас исследуются при комнатной температуре и атмосферном давлении. Постепенно выясняется, что добиться таких сильных взаимодействий не так уж и сложно. Если раньше это все делалось где-то в лаборатории, то сейчас все это без проблем можно делать.
— В Технологическом университете Чалмерса вы возглавляете научную группу. Расскажите про ваши главные достижения.
— Прежде всего, я доволен тем, что наша группа вообще функционирует. Понимаете, возглавить исследовательскую группу достаточно тяжело. Нужно накопить определенный багаж, ресурс, только тогда это становится возможным. В том, что касается науки, мы в последнее время очень плотно занимаемся вот этим «сильным» взаимодействием света с веществом, о котором я говорил. И мы были одной из первых групп, которая экспериментально продемонстрировала — в 2015 году — такое сильное взаимодействие между одиночной плазмонной наночастицей, сделанной из серебра, и органическими красителями при комнатной температуре и атмосферном давлении. Эта работа была одной из пионерских, одной из первых двух-трех. Второе важное исследование — когда мы смотрели на фотохимию органических соединений в зависимости от того, находятся они в сильном взаимодействии или нет. И мы экспериментально показали, что фотохимия действительно очень сильно замедляется в зависимости от того, в каком мы состоянии — в «сильном» мы видели замедление фотохимии в сто раз! Мы гордимся этой работой, она была опубликована в Science Advances.
В последние несколько лет мы перешли на взаимодействие плазмонов с экситонами в двумерных материалах. Наш вклад в 2D-материалы — это взаимодействие двумерных дихалькогенидов переходных металлов с плазмонами в наночастицах. Еще мы занимаемся мультислоями в 2D-материалах. Это не гетероструктуры, как геймовские «бутерброды», это просто мультислои одного и того же материала. И здесь мы рассмотрели один важный аспект, который заключается в следующем: у 2D-материалов, в частности у дихалькогенидов, очень высокий коэффициент преломления (оптический коэффициент) — он в видимой области составляет порядка четырех или пяти. Это очень большое число. Оно сравнимо, допустим, с кремнием. Такие большие коэффициенты приводят к очень интересному разделу оптики — так называемой нанооптике Mи-резонансов.
В диэлектрических структурах есть геометрические резонансы, которые были открыты еще в начале ХХ века Густавом Ми (поэтому они и называются «Mи-резонансы»). Как правило, ученые для их исследования используют кремний и другие обычные полупроводники с высоким коэффициентом преломления. Мы же показали в недавней работе, что подобные геометрические Mи-резонансы могут быть замечены в наноструктурах, сделанных из мультислоев 2D-материалов. Более того, за счет того, что там еще существуют и экситонные пики поглощения, мы можем гибридизировать эти самые геометрические Ми-моды с экситонными резонансами в том же материале. И добиться сильного взаимодействия света в материи в одном материале. То есть материале, сделанном из самого себя, — вы представляете? Мы видели и модовое расщепление в этих структурах. Я думаю, что это достаточно интересное направление. Мы назвали его TMDC-нанофотоника (transition metal dichalcogenides, дихалькогениды переходных металлов — прим. Indicator.Ru). Конкретно эта работа была опубликована в этом году в Nature Nanotechnology. Этим тоже, я думаю, вполне можно гордиться.
— Можете рассказать подробнее про дихалькогениды? Чем они примечательны?
— Дихалькогениды появились, можно сказать, вслед за графеном. Их основное отличие от графена — это то, что они полупроводники. Известно, что полупроводники — важный материал для, допустим, электроники. Поскольку мы сейчас знаем, что вся трехмерная электроника построена на кремнии, то, казалось бы, того же самого можно ожидать и в двумерности. Графен — это полуметалл, у него есть очень интересные свойства, за него дали Нобелевскую премию. Но тем не менее это полуметалл, то есть у него есть некая граница применимости. А вот TMDC — как бы добавка к этому. Кроме того, что они полупроводники, они обладают рядом уникальных свойств. Лично для меня одно из самых важных — это то, что у них очень сильный коэффициент поглощения, в монослое материала мы можем поглотить от 20 до 40% света. Это намного больше, чем поглощает графен. Естественно, это зависит от длины волны возбуждающего света, но, насколько я знаю, для материала толщиной всего в три атома поглощение составляет порядка 30% — это очень значительно. Боюсь ошибиться, но это может быть один из рекордных показателей поглощения света такими тонкими структурами.
— Если TMDC настолько перспективны, почему они не переживают сейчас такой бум развития, как графен? Почему в Китае все поставили на графен?
— Графен имел фору в том смысле, что он был первым 2D-материалом. Его изучали гораздо больше. И естественно, у него есть замечательные свойства, которые были неоднократно отмечены. Но, как я уже сказал, у него есть и недостатки, он полуметалл, и это принципиально ограничивает его применимость к определенным задачам. И я бы не сказал, что вообще все поставлено на графен. Может быть, в Китае, как вы говорите, так и есть, но в научном сообществе я вижу возрастание интереса именно к полупроводниковым 2D-материалам. Достаточно даже посмотреть на группу самого Константина Новоселова.
Пока что, насколько я знаю, на рынке мы не видим коммерческих продуктов, где бы графен играл заметную роль. С другой стороны, TMDC-материалы тоже пока находятся на стадии исследования. Вы можете спросить, будут ли какие-то практические применения, а я в ответ спрошу, а есть ли жизнь на Марсе? Это пока не очевидно. Но еще раз подчеркну, с научной точки зрения это очень перспективные материалы с целым множеством уникальных свойств. И было бы странно, если бы это не привело в какой-то момент к разработке действительно важных применений. Надо только дождаться, пока технология наберет достаточный вес.
— Как вы думаете, дадут ли за них Нобелевскую премию? Или за другие двумерные материалы?
— Я думаю, что Нобелевская премия Гейма и Новоселова — это действительно очень важная премия. Возможно, не столько именно за графен, сколько вообще за инициирование исследований двумерных материалов. Возможно, за них будут и другие премии. Видно, что интерес к этой сфере растет гигантскими темпами, экспоненциально. Но тем не менее первым в этом роде был графен и Гейм с Новоселовым.
— Поговорим немного о вашем исследовательском пути. Расскажите, как вы попали из Новосибирска в Европу?
— Да, это был долгий, тернистый путь! Я из Новосибирска — там родился, там окончил физико-математическую школу при Новосибирском государственном университете. Эта школа послужила для меня мотором, именно в те годы у меня сформировался интерес к науке вообще. И мне повезло, что я родился в новосибирском Академгородке.
— Ваши родители тоже ученые?
— Мой отец физик, мой дед физик. Они оба защищались в Академгородке, занимались полупроводниками. После физматшколы я поступил в Новосибирский университет, учился там пять лет. Базовым институтом для меня, когда я защищал диплом, был Институт катализа им. Г. К. Борескова РАН. То есть я в свое время вообще-то занимался ядерно-магнитным резонансом. И в начале двухтысячных годов я совершенно случайно поехал на летнюю стажировку в Институт Вайцмана в Израиле, там работали некоторые мои коллеги. Там я тоже пытался заниматься ядерно-магнитным резонансом, но в какой-то момент переключился на плазмоны… В итоге после защиты диплома в Новосибирске я вернулся в Израиль, пять лет отучился там в аспирантуре, занимался спектроскопией одиночных молекул.
После аспирантуры начал искать, куда бы пойти на позицию постдока. Поездил по нескольким местам, но решил остановить выбор на Швеции. В итоге после нескольких лет работы я получил там достаточно хороший грант и постепенно основал свою группу, сейчас я работаю там в статусе associate professor. Это уже постоянная позиция. Я не совсем представляю, какому званию это соответствует в России, но у меня есть своя группа — постоянная.
— А сколько у вас в группе человек? Из каких стран? Есть ли там российские ученые или аспиранты?
— Ее размер немного варьируется, от пяти до десяти человек. Группа достаточно интернациональная: в один момент у меня были двое русских, француз, швед, монгол, индус, мексиканка, португалец и чилиец. Сейчас у меня работает постдок Денис Баранов, он из МФТИ. Возможно, с МФТИ мы начнем работать более плотно.
— А с alma mater вы взаимодействуете?
— С НГУ? На этой конференции я познакомился с тремя людьми из моей alma mater. Более того, они все оказались из Института катализа — тоже моей alma mater. Как выяснилось, многие из них работают за границей. Я был очень рад с ними пообщаться. В целом я был бы рад более активно общаться с Новосибирском, но он находится довольно далеко, чисто физически туда довольно тяжело попасть. Но мы взаимодействуем с некоторыми учеными, допустим Владимиром Ждановым, который постоянно ездит к нам в Чалмерс, в Швецию. Вообще же я думаю, что ничего этого не было бы, если бы не НГУ, не мои учителя, не физматшкола. Я очень благодарен им всем. Все-таки у нас в Академгородке очень сильная школа.
— Давайте поговорим про организацию научно-исследовательской работы в России. Вы соприкоснулись с ней, хоть и немного. Можете сравнить со Швецией?
— Мой опыт взаимодействия с организацией науки в России очень маленький. Я уехал, даже не защитившись. Сейчас я вижу, как устроена наука в России, общаясь с коллегами. Я вижу, что начали появляться достаточно хорошие научные фонды, которые дают неплохие деньги на исследования. Еще многие российские коллеги жалуются на отчеты и бумажную работу, волокиту. В Швеции это практически полностью отсутствует. Допустим, буквально на днях мы с коллегами получили грант на 25 млн крон — чтобы перевести в рубли, умножайте примерно на 6,5 (по текущему курсу сумма составляет 164, 36 млн рублей — прим. Indicator.Ru). И у нас практически отсутствует бумажная волокита. По сути, весь отчет идет через статьи: в статьях вы поблагодарили определенное научное агентство за предоставление гранта, и им этого вполне достаточно. Они смотрят: у вас за пять лет вышло пять хороших статей, где они упомянуты, и этого вполне хватает.
Когда мы пишем заявку на грант, мы обычно составляем смету, и в смете указано, сколько пойдет, допустим, на зарплату сотрудникам, сколько пойдет на поездки на конференции, на публикации, на научное оборудование, на пользование научной инфраструктурой. И соответственно, что написано в бюджете, то и реализуется на практике. Правда, в отличие от России, моя зарплата не зависит от того, выиграл я грант или не выиграл. Я не могу выписать себе какую-то надбавку. В Швеции у ученого есть фиксированная зарплата.
— Как вы считаете, это преимущество или недостаток?
— Мне сложно сказать. С одной стороны, западной зарплаты вполне хватает. С другой стороны, в России возможность увеличить свой доход благодаря гранту — определенный дополнительный стимул для людей. Но в Швеции все-таки больше денег идет на зарплату аспирантам и постдокам, на оборудование — это основные статьи расхода. И я все-таки думаю, что у исследователя должна быть изначально достойная зарплата, чтобы он не волновался по поводу того, чем он будет завтра кормить своих детей. Он должен волноваться только по поводу науки.
— А о чем в науке волнуетесь вы? Какой у вас взгляд на будущее? Чего вы ждете от себя, от вашей научной группы?
— Конечно, я жду от себя и коллег прорывных результатов! Но, если серьезно, TMDC-нанофотоника — очень молодая область. Она родилась чуть ли не в этом году, а мы занимались ею всего последние два года. И пока что интерес к ней фундаментальный, научный. И себе я ставлю задачу: попробовать найти новые интересные эффекты в этой нанофотонике. И возможно, такие эффекты, которые можно было бы применить на производстве, в экономике. Почему я думаю, что у этого дела есть потенциал? Помимо того, что у TMDC-материалов очень высокий коэффициент преломления, у них много замечательных свойств, связанных с их вандерваальсовой структурой. Они анизоизотропные. Кроме того, в них очень сильное спин-орбитальное взаимодействие, соответственно, эти материалы могут быть сильно чувствительными к магнитному полю, к температуре.
В общем, скажем так: функционал этих материалов простирается далеко за функционал обычных фотонных материалов, таких как кремний, нитрид кремния, арсенид галлия и так далее. Именно в этом я вижу основную перспективу. Этим мы и будем заниматься в ближайшее время. В то же время я не могу вам обещать, что мы спасем мир с помощью TMDC-нанофотоники… Пожалуй, я вижу область применимости этих материалов в сенсорах и фотодетекторах. Как обычно, начнем с фундаментальной науки — а там посмотрим.
Автор: Анна Дзарахохова