Газета "Наш Мир" Знание о состоянии нашей Вселенной на четвертой микросекунде ее существования может помочь создать микроэлектронные устройства нового поколения. Известный российско-американский физик Дмитрий Харзеев и его коллеги намерены заняться этим в Сколтехе В Сколкове наряду с технопарком, резидентам которого предоставляются многочисленные преференции, в партнерстве с ведущим мировым исследовательским вузом — Массачусетским технологическим институтом создается Институт науки и технологий (Сколтех). При Сколтехе планируется 15 исследовательских центров, заявки на создание которых уже рассматриваются. Возможность участия в работе Сколтеха и его центров заинтересовала многих российских ученых, работающих за границей, даже больше, чем технопарк с его преференциями, поскольку, как сказал один из них, «мы уверены, что команде из Массачусетса можно доверять».Инициаторами создания одного из таких центров, Центра экстремальных состояний материи, и его содиректорами являются Валентин Захаров, главный научный сотрудник российского Института теоретической и экспериментальной физики, и Дмитрий Харзеев, профессор Университета Стони Брук и старший научный сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории США (БНЛ). Центр объединяет усилия 27 российских и зарубежных (США и Великобритания) ученых и их групп, включая двух нобелевских лауреатов по физике, представляющих 13 ведущих научных институтов и университетов. Хотя заявка центра в Сколтехе еще только рассматривается, он уже начал свою работу и недавно провел в Москве конференцию, посвященную представлению проекта создания центра и обсуждению взаимосвязи современной фундаментальной науки с передовыми технологиями, имеющими коммерческий потенциал. Беседу с Дмитрием Харзеевым мы начали с вопроса.— Вы известный физик-теоретик, специалист по квантовой хромодинамике, физике высоких энергий и, в частности, теории кварк-глюонной плазмы; как это связано с технологиями и тем более с коммерциализацией? — Чтобы ответить на этот вопрос, придется начать издалека. Эксперименты в Брукхейвенской лаборатории показали: когда в столкновениях ядер возникает кварк-глюонная плазма, тогда, несмотря на то, что температура плазмы в 100 тысяч раз выше температуры Солнца, сила взаимодействия между кварками и глюонами в этой плазме настолько велика, что она удерживает их в состоянии жидкости. Причем жидкости, практически лишенной вязкости и трения. А раньше предполагалось, что, поскольку температура плазмы огромна, она будет вести себя как газ. То есть результаты экспериментов Брукхейвенской лаборатории изменили наши представления о ранней Вселенной: теперь мы знаем, что ранняя Вселенная прошла через стадию кварк-глюонной плазмы, находясь в жидком состоянии.— Через какое время после Большого взрыва возникает эта плазма? — Примерно через три микросекунды.— И длилось это жидкое состояние? — Порядка микросекунды. Все мы, как и вся Вселенная, родились, в конечном счете, из этой жидкости, которая теперь достаточно хорошо нами исследована. Причем для понимания свойств такой жидкости, состоящей из безмассовых частиц, которые сильно взаимодействуют между собой, недавно были разработаны достаточно абстрактные теоретические методы. Я не буду вдаваться в детали, но они основаны на таких понятиях, как дополнительные измерения, черные дыры, искривленное пространство и так далее. Выяснилось, что эти методы можно использовать и для решения гораздо более прагматических задач в физике так называемых киральных материалов, с которыми многие сейчас связывают надежды на создание нового поколения электроники.— Почему кварк-глюонная жидкость состоит из безмассовых частиц? Кварки вроде бы массу имеют. — Кварки действительно имеют массу, но два из них, наиболее распространенные в кварк-глюонной плазме, так называемые up и down, являются почти безмассовыми — их масса много меньше температуры плазмы.— И чем же методы исследования кварк-глюонной плазмы оказались полезны? — Как вы знаете, сейчас одна из самых больших проблем человечества заключается в том, что количество микропроцессоров в мире растет безумно быстро, то есть микропроцессоры плодятся со скоростью, во много раз превышающей скорость, с которой растет население Земли. И эти микропроцессоры потребляют все больше электроэнергии. Именно поэтому почти во всех компьютерах, лэптопах перешли к мультиядерным процессорам. Потому что, даже если бы мы создали один процессор с таким быстродействием, мы просто не смогли бы отводить от него тепло. И сейчас очень остро стоит вопрос о создании нового поколения устройств, которые слабо диссипируют, рассеивают, энергию, тепло.В поиске новых физических принципов и материалов, на которых можно было бы построить такие устройства, мы натолкнулись на киральные материалы. Особенность этих материалов в том, что вместо электронов эффективными носителями заряда и энергии в них являются квазичастицы*, которые ведут себя так, как будто являются безмассовыми. Кварки и глюоны в кварк-глюонной плазме взаимодействуют посредством так называемого сильного взаимодействия, через обмен глюонов. В киральных материалах наблюдается электромагнитное кулоновское взаимодействие квазичастиц. Однако эффективная сила этих взаимодействий разной природы в кварк-глюонной плазме и, например, в графене оказывается практически одинаковой. Для физики твердого тела безмассовые частицы достаточно экзотический объект. Хотя в физике элементарных частиц столкнулись с такими безмассовыми частицами очень давно. Нейтрино — хорошо известный пример. Когда-то физика нейтрино казалась абсолютно абстрактной и, в общем, довольно отвлеченной от нужд человечества. Впоследствии стало ясно, что нейтрино являются важной частью картины физического мира, и сейчас они довольно хорошо изучены. Но нейтрино очень слабо взаимодействуют друг с другом, тогда как квазичастицы в киральных материалах взаимодействуют между собой сильно. И в этом смысле совокупность квазичастиц в киральных материалах очень похожа именно на кварк-глюонную плазму, в которой тоже есть безмассовые киральные кварки, взаимодействующие между собой настолько сильно, что формируется та самая жидкость, о которой вы меня спросили. Это сходство между свойствами веществ, которые отличаются на много-много порядков по масштабу энергии, температуры, размеров, исключительно интересно. Хотя говорить о связи между киральными материалами и кварк-глюонной плазмой, я думаю, еще пять лет назад, наверное, никому не приходило в голову. Сейчас эта связь стала для специалистов почти очевидной.— На чем основан эффект уменьшения диссипации энергии в киральных материалах? — Не буду вдаваться в технические детали, но приведу один пример, который, я думаю, поймет любой, кто проходил физику в вузе. Мы все знаем, что в классической механике, если энергия частицы меньше энергии потенциального барьера, частица преодолеть барьер не сможет. А в квантовой механике частица необходимую энергию на время может «одолжить» и с определенной вероятностью через барьер пройти. Я, когда прочитал об этом в школе, испытал шок, наверное, такой же, как если бы увидел, что сейчас сквозь эту стену перед нами прошел человек. Я себе это очень живо представил.С киральными материалами я испытал еще один шок. Дело в том, что, хотя массивная частица и может проходить через потенциальный барьер, но вероятность прохождения зависит от высоты и ширины этого барьера. Если барьер весьма высокий и широкий, то вероятность прохождения частицы очень мала. С киральной, безмассовой, частицей ситуация абсолютно другая. Киральная частица проходит через потенциальный барьер со 100-процентной вероятностью, независимо от высоты и ширины барьера. Это свойство связано с киральной природой этих частиц, и именно эта природа дает нам надежду создать приборы с очень низкой диссипацией энергии. — То есть это некое подобие сверхпроводимости?— В каком-то смысле — да. И в том и в другом случае диссипация мала. Но сверхпроводимость появляется при очень низких температурах. Хотя, конечно, есть надежда создать когда-нибудь высокотемпературный сверхпроводник. А киральные свойства проявляются даже при комнатной температуре. — Можете назвать такие киральные материалы?— Самый знаменитый пример кирального материала — это графен, в котором носители заряда ведут себя как безмассовые частицы. Но сейчас стало ясно, что графен в этом смысле не уникален. Можно упомянуть и так называемые топологические изоляторы, и «вейлевские полуметаллы». И когда в рамках Сколтеха заговорили об исследовательских центрах, мы задумались о создании Центра экстремальных состояний материи, который займется применением методов теоретической физики при исследовании киральных материалов. Идея состоит в том, чтобы в одном коллективе были люди, которые занимаются электроникой, экспериментальной физикой твердого тела, теорией твердого тела и физикой ядра и элементарных частиц.Нам иногда говорят: вы собрали вместе совершенно разных людей просто для того, чтобы сказать, что вы такие междисциплинарные, вы хотите сыграть на этом и получить денег, у вас надуманная и искусственно созданная команда. Но это не так. Мы сознательно подбирали такой коллектив, чтобы в нем были лидеры в направлениях, которые мы считаем критически важными для достижения поставленной цели. И мы действительно думаем, что сейчас разрыв между фундаментальной наукой и приложениями очень сильно сократился — исследования, кажущиеся академическими сегодня, могут привести к созданию устройств, которые, возможно, через пять-десять лет будут у каждого в кармане. Но чтобы это реализовать, необходимо для решения задачи объединить специалистов, способных справиться со всеми возникающими проблемами — от фундаментальных до прикладных. Сейчас, когда разрыв между фундаментальным открытием и его практическим приложением сокращается стремительно, прямо на наших глазах, даже команда, ставящая своей целью создание каких-то сугубо практических устройств, если это принципиально новые устройства, должна включать экспертов по фундаментальной науке — точно так же, как и по прикладной. В Сколкове делается большой акцент на практическое применение, на коммерциализацию, и, в общем-то, я считаю, что это правильно. И президент Сколтеха, и руководство Сколтеха в целом очень часто говорят о том, что моделью для них является подход Луи Пастера. Этот великий ученый, помимо фундаментальных открытий, сделал массу очень полезных вещей. Он как-то сказал, что фундаментальная наука и приложения соотносятся так же, как яблоня и яблоки. Все мы любим яблоки, и это то, ради чего мы яблони растим. Но если мы скажем, что яблоки нам нужны, а яблони нет, и поэтому от яблонь можно избавиться, чтобы понапрасну не расходовать ресурсы на полив, то ни к чему хорошему это не приведет. С другой стороны, конечно же, мы выращиваем яблони не ради красоты цветов или листьев. Конечной целью, безусловно, являются яблоки. Занимаясь фундаментальной наукой, мы должны где-то в подсознании думать о том, к чему наши исследования могут в конце концов привести.— Как вам удалось собрать такой коллектив? — Мы руководствовались целью понять свойства киральных материалов и создать на их основе новое поколение электронных устройств. И мы задумались: кто является ведущими мировыми экспертами в понимании киральной материи. К нашей радости, все они согласились с нами сотрудничать. У многих из нас уже есть какие-то совместные наработки. Мы регулярно устраиваем видеоконференции, публикуем совместные работы. Мне кажется, что нам уже удается наладить совместную работу, несмотря на то что в центре участвуют люди из США и Великобритании, России. Это, конечно же, не является для современной науки чем-то экстраординарным. Я и до создания центра сотрудничал и писал статьи с людьми, которые работают в Европе, в России, в Японии, где угодно.— А участие именно в Сколкове — это просто подвернувшийся вариант или какой-то принципиальный для вас момент? — Наверное, принципиальный. Всем ясно, что России необходимо наладить связь фундаментальной науки с приложениями и коммерциализацией. И я надеюсь, что Сколтех как раз станет зародышем этой модели. Вы знаете лучше меня, что в России есть много людей, понимающих необходимость высокотехнологичного развития. Такие люди есть и в хайтек-бизнесе, и в венчурном капитале, и в корпорациях, и в науке, и в правительстве. Поэтому я думаю, что создание Сколтеха — это просто требование времени, и в том или ином формате нечто подобное Сколковскому институту должно было появиться.Если вокруг Сколтеха действительно сложится сеть хайтек-компаний, если нам удастся давать в Сколкове студентам хорошее образование и они будут находить хорошую, интересную и высокооплачиваемую работу в этих компаниях, то есть надежда, что сеть начнет разрастаться, цепочка между образованием, фундаментальной наукой и приложениями замкнется, и ситуация изменится. По поводу нашего проекта: если мы получим эти деньги от Сколтеха, то критерием успеха для меня было бы, чтобы группа, созданная нами в Сколтехе, лаборатории, созданные нами в Сколтехе, оказались сами по себе жизнеспособными. Можно говорить об успехе, если через пять лет мы увидим работающую и вполне состоятельную в научном и прикладном плане группу, имеющую свою лабораторию, сложившиеся связи со всеми нами и с остальным научным миром и способную функционировать самостоятельно. И конечно, создание каких-то прикладных разработок, связи с компаниями. Я искренне считаю, что через пять лет, а может, и раньше у нас вполне могут возникнуть разработки, способные заинтересовать представителей венчурного капитала. Мы собираемся вовлечь их на раннем этапе, и мы очень рассчитываем на их совет, поддержку, на то, что в какой-то момент они скажут: ребята, наверное, с этим уже можно попробовать что-то сделать. Мы уже пригласили некоторых из них в комитет советников нашего центра. Многие видные и уважаемые люди в него вошли, и мы будем опираться на их советы, поддержку, помощь.— А если со Сколковом не получится? — К нам поступили предложения о поддержке нашего центра и от других российских организаций, но я бы сейчас не хотел в это вдаваться. Цели, ради которых мы создали центр, кажутся нам настолько важными, что я думаю: даже если никаких денег мы не получим вообще, на каком-то уровне совместная работа все равно будет происходить.— Как вы заинтересовались проблемой, лежащей вне ваших научных интересов? — Я просто люблю читать всякие популярные и полупопулярные научные журналы. И вскоре после открытия графена Геймом и Новоселовым я наткнулся на популярную статью о графене, в которой, в частности, объяснялось, что квазичастицами в графене являются киральные частицы. Тогда я начал читать специальную литературу. И когда узнал, что эффективная константа взаимодействия в графене практически такая же, как в кварк-глюонной плазме, я понял: этим нужно срочно начать заниматься. Я пришел к нашим экспертам в БНЛ по физике твердого тела Алексею Цвелику и Игорю Зализняку, и мы стали активно работать. У нас родилась идея создать на основе графена новое устройство, которое использовало бы многие свойства графена, близкие к кварк-глюонной плазме. И мы зарегистрировали патент в США.— В чем суть патента? — Главная идея состоит в использовании гетероструктуры, состоящей из графена, помещенного на магнитную подложку. Если эту подложку намагнитить в плоскости графена, то за счет спинового взаимодействия графен из полуметалла превратится в металл, но металл, проводящий только носители заряда с определенным направлением спина. На подложке магнитной головкой можно «нарисовать» любую электрическую цепь, и по этой цепи потечет ток поляризованных носителей заряда. Этот ток несет, помимо электрического заряда, еще и спин, поэтому наша гетероструктура может использоваться как основа для создания разнообразных устройств для «спинтроники».Есть много других идей. Последняя статья, которую я послал на электронный сервер, перед тем как поехать в Москву, называется «Киральная электроника». Правда, когда мои коллеги видят статью, которая называется «Киральная электроника», то спрашивают, не решил ли я сменить направление работы. А я говорю: «Нет, это абсолютно та же самая физика, это — буквально то же самое, чем я занимался до этого и чем планирую заниматься в будущем». В разных областях физики очень часто на разных масштабах размеров и энергий существуют задачи, которые по своей физической природе очень близки. — И математически?— И математически. Поэтому я не хочу сейчас на себя навешивать какой-то ярлык, что я ядерный физик или я нанотехнолог. Я физик. Я вообще думаю, что на глубоком уровне все области науки, по крайней мере физической науки, очень тесно взаимосвязаны. И, в общем, в каком-то смысле безразлично, в какой области ты когда-то начал работать. — С тем, что сейчас делается на Большом адронном коллайдере, как-то ваши работы связаны?— Я думаю, что на Большом адронном коллайдере свойства этой «совершенной жидкости» можно изучить еще более детально, чем в Брукхейвене. Но какого-то изменения теоретической парадигмы, скажем так, по-видимому, не произойдет. — Все ждут от адронного коллайдера не только подтверждения существования бозона Хиггса, но и массу теоретических последствий. В частности, опровержения или подтверждения теории струн и теории суперсимметрии. Хотя Людвиг Фаддеев в интервью нашему журналу (см. «Уравнение злого духа» в «Эксперте» №29 за 2007 г.) сказал, что он относится к теории струн очень скептически: «Эти струны и суперсимметрия были придуманы априорно», и он уверен, что это не последнее слово, и теория будет другой…— Мне, если честно, тоже долгое время казалось, что теория струн — это какая-то изолированная область теоретической физики, безусловно, очень интересная, но бесконечно далекая от практических нужд даже в том смысле, в котором я как физик-теоретик понимаю это словосочетание. Но я изменил свое мнение несколько лет назад, потому что именно теория струн дала нам один из очень мощных методов для изучения и кварк-глюонной плазмы, и киральных материалов. Это так называемый голографический подход, предполагающий, что наше четырехмерное пространство-время Минковского, в котором мы живем, — это оболочка пятимерного пространства анти-де Ситтера. Если вы помните, была такая метафора пещеры у Платона. Об узниках, прикованных в пещере, которые могут видеть только тени на пещерной стене и слышать лишь эхо звуков, раздающихся вне пещеры. И в какой-то момент они начинают верить в то, что эти тени и отзвуки и есть реальность. В так называемой голографической картине мы и есть те самые узники. И все, что мы видим, — это отражение и отзвук реальных процессов, которые происходят на самом деле в дополнительном, пятом измерении, вне нашей пещеры. Звучит это, конечно, абсолютно дико. Но я должен сказать, что метод, основанный на голографическом подходе, оказался очень полезным, он проверен во многих физических ситуациях. Как все революционные идеи, сначала такой подход кажется сумасшедшим, но со временем, после того как приходит понимание, что идея оказалась полезной, что мы можем вычислить какую-то величину, к которой до этого мы даже не знали как подобраться, начинаешь к ней привыкать. Это действительно очень мощный новый метод, и его развитие в большой степени было стимулировано экспериментальными открытиями и в Брукхейвене, и сейчас на Большом адронном коллайдере. Это еще один пример того, как какая-то на первый взгляд абсолютно абстрактная, теоретическая, не имеющая никаких практических применений идея в какой-то момент «выстреливает» и становится очень полезной.— То есть можно сказать, что теория струн получила экспериментальное подтверждение? — Я бы сказал, что теория струн дала нам новый мощный математический метод. Я не говорю о том, что мы открыли какие-то новые частицы или что мы открыли какие-то дополнительные, новые измерения. Мы получили новый метод. А как интерпретировать эти дополнительные измерения — вопрос уже философский. Например, мы пользуемся теорией функции комплексного переменного, добавляя еще одно измерение. Можно думать, что оно реальное, а можно просто считать, что это математический метод.— Вы кем себя больше чувствуете — физиком или математиком? Тот же Фаддеев сказал, что математика для физика — это шестое чувство и что вообще современный физик должен обладать уже даже не столько физической, сколько математической интуицией. — Я согласен с этим. Сегодня невозможно заниматься теоретической физикой без глубоких знаний математики, но тем не менее я считаю, что физики-теоретики делятся на два больших класса. Есть люди, которыми прежде всего движет математическая красота теории, и они занимаются, по сути дела, именно математикой, а потом находят какие-то физические системы, которые в той или иной степени могут быть описаны этой теорией. И есть люди, движимые в основном необходимостью описания каких-то физических процессов, и они уже к ним подыскивают подходящие математические методы. Я отношусь ко второй категории, но я абсолютно не считаю, что вторая категория более полезна, чем первая, или наоборот. Просто у разных людей разный подход к занятию физикой.— Вы были в 2009-м, по-моему, году одним из подписантов открытого письма президенту и председателю правительства Российской Федерации о катастрофическом состоянии фундаментальной науки в России. Насколько, на ваш взгляд, это остается актуальным? — Безусловно, и мега-гранты, и создание Сколтеха — это шаги в правильном направлении. Пока еще, наверное, рано судить, насколько они окажутся успешными, но я связываю с ними большие надежды, и, в общем, сейчас ситуация не кажется мне столь мрачной, какой она была в 2009-м, когда я подписал это письмо.— Вы работали, хотя, может, и не очень долго, в советских научных учреждениях и уже много лет — в крупнейших американских. В частности, в национальной лаборатории. Что отличает российские и американские научные учреждения и что общего у них, кроме науки как таковой? — Американская фундаментальная наука делается и в национальных лабораториях, и в университетах. Каков принцип разделения между лабораторией и университетом? Лаборатории занимаются крупными научными проектами, финансирование которых не под силу отдельным университетам. Например, в Брукхейвенской национальной лаборатории это релятивистский коллайдер тяжелых ионов, сконструированный для исследований кварк-глюонной плазмы. Ни один даже самый богатый университет США не может сам построить такую установку. Для этого требуется государственное финансирование, инфраструктура большой лаборатории. Или в Национальной лаборатории имени Ферми это тоже был огромный ускоритель — коллайдер Теватрон. Про Лос-Аламос тоже все понятно. Но основная часть науки тем не менее делается в университетах профессорами, которые, в частности, участвуют и в экспериментах национальных лабораторий. Например, я являюсь профессором университета Стони Брук и научным сотрудником в Брукхейвене. И это обычная ситуация. Система организации труда тоже разная в национальных лабораториях и в университетах. Когда вам нужно построить и эксплуатировать релятивистский коллайдер, то это задача, требующая совместной работы огромного количество людей, более или менее иерархической структуры управления и десятилетних планов. В университете ситуация совершенно другая: каждый профессор является самостоятельной исследовательской единицей. Он получает гранты где хочет, занимается тоже чем хочет, набирает себе группу — какую хочет. То есть профессор в университете — это абсолютно независимый исследователь, у которого практически нет начальства. И университет поддерживает профессора, потому что университету выгодно, чтобы профессор получал большие гранты — из этих грантов университет забирает себе значительную долю финансирования. Успешный профессор, как правило, приносит университету значительно больше, чем получает от него в виде зарплаты. Именно поэтому американские университеты всегда охотятся за высококвалифицированными, активными профессорами. С одной стороны, они приносят им деньги. С другой стороны — привлекают хороших студентов. Единственное, в чем мы должны беспрекословно подчиняться, скажем, декану факультета, это в том, что касается учебного процесса. Он говорит мне: в этом семестре ты читаешь курс такой-то, хотя, как правило, профессора читают курсы, которые они сами хотят читать. Такая модель, когда нет никакой иерархии, когда никто не говорит профессору, чем он должен заниматься, мне кажется очень удачной. Конечно, когда человеку предоставляется такая свобода, должна быть уверенность в том, что это человек компетентный, опытный, активный, поэтому в Америке существует исключительно жесткая система отбора людей. Стать профессором в хорошем исследовательском университете очень трудно. Но зато профессором может стать человек из любой точки земного шара, если он этого заслуживает. То есть никакой дискриминации там на самом деле не существует, единственным критерием отбора являются профессиональные качества. Я думаю, что в Сколтехе это, безусловно, нужно продублировать.А поскольку в США существует по крайней мере 50 университетов, в которых занимаются наукой на настоящем мировом уровне, а может быть, и 100 таких университетов, то возможностей для человека, который добился чего-то в своей профессии, очень много. — Как оценивается работа ученых в национальных лабораториях?— Каждый год ученый национальной лаборатории пишет короткий отчет: сколько работ написал, на каких конференциях выступил с приглашенным докладом, какова цитируемость его трудов за последние три года, за последние пять лет, за все время его работы, что он сделал руками. Может быть, у него одна публикация за год, но зато он создал магнит, нужный для какой-то установки. Иными словами, отчет должен показать, что данный ученый сделал для достижения целей лаборатории. А потом руководство лаборатории, комитет оценивают работу этого ученого, и по итогам этой оценки он получает — или не получает — соответствующую прибавку к зарплате, ему дают премию или его предупреждают о неполном служебном соответствии. — Финансирование национальных лабораторий государственное?— В основном финансирование государственное, однако не исключительно государственное. Например, в БНЛ значительная часть средств поступает от интеллектуальной собственности, которую создали сотрудники лаборатории. Есть ученые, например, которые, создавая магниты для ускорителя, придумали, как построить поезд на магнитной подушке. Получили патент, этот патент принадлежит национальной лаборатории, но авторы изобретения получают определенный процент от сумм, которые отчисляются за патент, если его кто-то покупает. Но большинство этих денег все-таки идет лаборатории. И такие патенты приносят вполне ощутимую часть финансирования. Кстати, это очень важный момент, по-моему, и для Сколтеха, и для нашего центра. Я думаю, что ядро финансирования таких центров, как наш, должно быть государственным. Но часть этого финансирования, если люди занимаются действительно какими-то полезными вещами, может потом вернуться в виде частных инвестиций — так же, как это происходит и в национальных лабораториях, и в университетах.
|
