Луч в квантовый мир

В этом материале рубрики «Наука достижений» мы расскажем об одном из самых молодых академических научных учреждений региона. Это Иркутский филиал Института лазерной физики СО РАН, созданный 30 лет назад. За годы работы ученые сделали немало открытий в своей области физики, а в некоторых ее сферах вошли в число мировых лидеров. Результаты их фундаментальных исследований применимы во многих отраслях: от добывающей промышленности – до производства сувенирной продукции. Кроме того, в ИФ ИЛФ СО РАН еще и готовят крайне востребованных в медицине специалистов. В мир квантовых исследований попробовали погрузиться наши корреспонденты.

Лазеры создали звезды в кристаллах

Мы стоим в лаборатории фотофизики конденсированных сред и пытаемся выполнить свои творческие задачи: автор этих строк – для начала увидеть лазер, фотограф – поймать его в кадр. Сделать это непросто. Человеческий глаз не улавливает лазерное излучение на длине волны 850 нанометров. Ученые что-то настраивают в аппаратуре, и, наконец, мы замечаем источник света.

– А можно руку под него подставить?

– Лучше не надо, – предупреждает кандидат физико-математических наук Александр Тютрин. – Это аналогично тому, как сейчас в микрохирургии глаза используют фемтосекундные лазеры в коррекции зрения. Там также фокусируются, стреляют ими в глаз на определенную глубину.

Послушав знающего человека и глянув на демонстрационную доску со следами, похожими на те, что оставляет выжигатель по дереву, – рук, конечно, под лазер не подставляем и обращаем внимание на работающий здесь прибор.

Лазерный сканирующий конфокальный люминесцентный микроскоп MicroTime 200 приобретен в рамках программы министерства науки и высшего образования РФ по модернизации научного оборудования. Комплекс позволил иркутским физикам провести множество важных исследований. Он помогает визуализировать одиночные квантовые системы, которые намного меньше наночастиц.

Ведущий инженер-электроник Александр Ракевич и директор ИФ ИЛФ СО РАН Владимир Дресвянский

Свойства материи ученые изучают на микроскопическом уровне. Квантовый мир – уже не фантастика. Как и лазеры. Еще в начале прошлого века они казались вымыслом писателей, а сейчас окружают нас в повседневной жизни. Достаточно вспомнить хотя бы лазерные уровни, указки или сварочные аппараты. В науке главное предназначение лазеров – быть инструментом в изучении свойств материи. Например, кристаллов фтористого лития, которые удобны для исследований химико-физических процессов. Они прозрачны, относительно легко выращиваются и чувствительны к ионизирующему излучению.

Ученые подносят к лазеру кристаллик, мы замечаем яркую точку, а готовую лазерную запись – черточку – видим только с помощью другого лазера.

Далее идем смотреть на более яркие образцы таких записей – разноцветные звезды и узоры. Внутри неполированных кристаллических блоков визуализированные изображения сделаны в виде последовательностей трехмерных вокселей все тем же фемтосекундным лазерным излучением. Рисунки проявляются, когда их подсвечивают опять же лазером. Самое простое практическое применение таких кристаллов – в сувенирах.

Новый метод поможет эффективнее изучать алмазы

– Подобные картинки в стеклах делают в Китае, но там они не цветные, монохромные. Для того, чтобы внутри кристаллов записать эти картинки, нужно использовать мощность лазерных импульсов больше, чем генерируют наши ГЭС. А у нас эта «ГЭС» помещается в лаборатории на одном столе, – удивляет главный научный сотрудник и руководитель базовой темы ИФ ИЛФ СО РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор Евгений Мартынович.

Научный руководитель базовой темы филиала Евгений Мартынович

– Разве такое возможно?

– Возможно, но только на очень короткое время. Лазерный комплекс, который вы видели, имеет уточнение: «фемтосекундный». Фемтосекунда – это одна квадриллионная часть секунды. Если вы получили огромную мощность лазерного излучения даже на очень короткое время, в кристалле под воздействием лазера пойдут совершенно необычные высоконелинейные процессы, которые в обычных условиях не протекают.

Евгений Федорович более 20 лет возглавлял Иркутский филиал Института лазерной физики СО РАН. А создано учреждение было в 1995 году, когда появилась угроза закрытия отдела автоматизации и технической физики Иркутского вычислительного центра. Академик РАН Сергей Багаев решил взять подразделение под крыло ИЛФ СО РАН, который находится в Новосибирске. Сейчас в филиале работают лаборатория фотофизики конденсированных сред, лаборатория лазерных систем и технологий, а также группа электроники.

Дальновидность Сергея Николаевича была доказана результатами. Из технологического подразделения филиал превратился в серьезную фундаментальную научную структуру. Статьи иркутских физиков-лазерщиков публикуют в ведущих высокорейтинговых профильных журналах мира. Недавно вышла из печати статья в научном журнале с импакт-фактором более 10. В числе прочих заслуг они создали новый класс функциональных оптических материалов.

– Мы, собственно говоря, ввели в научную практику такое понятие, как нелинейные объемные фотографические материалы с люминесцентной визуализацией изображений. Сейчас таких материалов меньше десятка, наверное. Мы патентуем новые, изучаем их, публикуем статьи, – уточняет Евгений Мартынович.

В молодости Евгений Федорович работал по теме развития методов обогащения алмазосодержащих руд, где применяется рентгенолюминесцентный метод. Порода освещается рентгеновским излучением, автоматика регистрирует вспышки. Однако давать их могут не только алмазы, но и другие минералы и даже стекла от брошенных в карьере бутылок. К тому же такое излучение – не самое полезное для здоровья. Иркутские ученые нашли этому методу исследований альтернативу:

– Мы считаем, что при геологоразведочных работах на алмазы можно использовать лазерно-люминесцентные методы, нашли способ замены рентгеновского излучения на чисто оптическое. Наши исследования показывают, что при использовании таких методов и спектральные, и временные сигналы от алмазов – одинаковые, идентичные. Но оптика не вредит здоровью. К тому же в полевых условиях рентген-аппарат с собой не понесешь. На основе лазерно-люминесцентного метода можно сделать портативный прибор, который позволит обнаруживать алмазосодержащие руды. А это особенно актуально в связи с планами развития Арктики, где есть алмазоносные месторождения. Мы подготовили проект полевого поискового сепаратора для проведения геологоразведочных работ, – рассказывает ученый.

Люминесценция освещает дорогу Нобелевским лауреатам

Лазерно-люминесцентные методы востребованы в естественных науках, технике и производстве. С их помощью сотрудники ИФ ИЛФ СО РАН проводят совместные исследования с коллегами из других институтов.

Используемая учеными спектроскопия основана на применении характеристик люминесценции одиночных атомов, молекул и других квантовых систем. Она помогает узнать такую информацию о веществе, которую не получишь другим методом. Физики рассматривают, скажем так, индивидуальное поведение отдельной квантовой системы.

Меняя структуру кристалла с помощью лазера, ученые создают в них дефекты, необходимые для изучения их свойств, и перспективы создания новых материалов с заданными характеристиками. Под воздействием лазерной люминесценции разные части одного кристалла и ведут себя по-разному. Раскладывая траектории дефектов на отдельные ансамбли и типы, исследователи определяют новый спектроскопический признак. Он, в свою очередь, и позволяет различать отдельные квантовые системы. Это важно для понимания их свойств и дальнейшего решения различных задач. В основе всех исследований – взаимодействие света и вещества.

Кандидат ф.-м. наук, заведующий лабораторией лазерных систем и технологий Александр Тютрин

– Вся новая физика, вероятно, наша новая жизнь, может быть связана с этим. Вот для того, чтобы, допустим, поджечь термоядерную реакцию, нужен мощный лазер, – напоминает Евгений Мартынович. – Если нам, физикам, нужно получать сверхвысокое давление или температуру, как на Солнце, и даже выше – все это может сделать лазер в лаборатории.

Кстати, если проанализировать Нобелевские премии, за последние десятилетия полученные в области химии, физики, биологии, то практически во многих этих исследованиях использовались лазерно-люминесцентные методы и средства.

– Еще хочу сказать про такое уникальное исследуемое нами явление, как световые нити – филаменты. Филаментация лазерного излучения в воздухе и в кристаллической среде сопровождается генерацией широкого спектра. В ней формируется так называемое терагерцевое излучение. Наш организм для него прозрачен. Поэтому ТГ-лучи используются при диагностике в приборах высокого разрешения. И дальнейшее изучение терагерцового излучения, которое генерируется в процессах филаментации, способно сделать диагностическое оборудование более эффективным. Хотя спектр его применения гораздо шире, – говорит руководитель Иркутского филиала Института лазерной физики СО РАН, доктор физ.-мат. наук Владимир Дресвянский.

Медицинских физиков готовят не в медвузе

Он называет себя учеником Евгения Мартыновича. Впрочем, как почти все другие научные сотрудники учреждения. Главная кузница кадров для этих лабораторий – физический факультет ИГУ, где до открытия филиала трудился и до сих пор трудится Евгений Федорович.

Физика – наука сложная, а сейчас кадровые проблемы есть практически повсеместно. Поэтому будущих коллег приходится воспитывать едва ли не со школы.

– Вот пример. С 30 июня по 5 июля в Иркутске пройдет уже ХХ Международная молодежная конференция по люминесценции и лазерной физике, которая посвящена 30-летию нашего филиала. Она приняла традиции самой первой всесоюзной школы по люминесценции, которую еще в 1969 году в бухте Песчаной на Байкале организовал со своими учениками профессор Иосиф Парфинович, бессменный декан физического факультета ИГУ на протяжении более 50 лет. Это мероприятие с элементами научной школы, с молодежными докладами. И в нем наравне с учеными будет представлять свой стендовый доклад ученик 9 класса иркутской школы № 17, у которого я был руководителем проекта, – сообщил Владимир Дресвянский.

В учреждении работают с бакалаврами и магистрантами вузов. А еще недавно здесь совместно с физическим факультетом ИГУ, с Институтом геохимии СО РАН и Иркутским областным онкологическим диспансером стали реализовывать уникальную образовательную программу.

– Мы начали готовить магистров по профилю «Медицинская физика». Уже выпустили восемь специалистов, которые работают в области лучевой терапии в медучреждениях Ангарска и Иркутска. Дело в том, что по квалификационным требованиям работать с радиологическими приборами может только магистр и при этом профессиональный физик, – уточнил руководитель ИФ ИЛФ СО РАН.

В отделениях радиологии и лучевой терапии врач занимается лечением, а медицинский физик – работой с оборудованием. В стране такие специалисты крайне востребованы. А готовят их только в московском регионе, на Алтае и в Якутии. Сейчас решено увеличить число участников магистерской программы по этому актуальному направлению в ИГУ. Ученые говорят, что спрос у молодежи на нее есть.