Что такое магноны? Можно ли создать спин-фотонный компьютер и чем он будет отличаться от существующих сегодня? Что такое биополе и как экстрасенсам удается лечить людей? Есть ли тут физические закономерности? Можно ли воспроизвести «эффект Джуны» с помощью научной аппаратуры? Об этом и многом другом рассказывает директор Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук академик Сергей Аполлонович Никитов.
— Сергей Аполлонович, знаю, что вы работаете в институте уже 40 лет. Начинали как младший научный сотрудник, сейчас — директор, заведующий лабораторией. А как все начиналось и для каких целей создавался ваш институт?
— Нашему институту в этом году исполняется 70 лет. 18 сентября 1953 г. был издан Указ Совета Министров СССР о его создании. История его понятна, если кто-то знает историю развития науки: начало 1950-х гг. — это два великих проекта, атомный и космический, которые должна была поддержать современная электроника. Поэтому было принято решение о создании такого института.
В это же время случилось так, что для Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова построили комплекс зданий на Ленинских горах (теперь это опять Воробьевы горы). Часть зданий университета на Моховой освободилась. Нашему институту предоставили это здание, где мы сегодня находимся.
Таким образом, в 1953 г. был создан этот институт, чтобы решать проблемы, связанные с доставкой вооружения, ракетными связями и т.д. А для этого нужна была электроника. Его первым директором и организатором был Аксель Иванович Берг, академик, вице-адмирал, человек, который создал более 20 научных учреждений. Он был великим организатором.
— А какую роль в этой истории сыграл академик Котельников?
— Берг пригласил Владимира Александровича Котельникова, тоже великого ученого. В том же 1953 г. Котельникова избрали — без прохождения этапа члена-корреспондента — академиком. Это редкая история, таких случаев было всего несколько. В 1954 г. Котельников стал директором института, потому что Берга перевели на новую работу для создания других институтов. Институтом Котельников руководил долгие годы, потом был научным руководителем института, почетным директором. Он прожил долгую жизнь, уйдя в возрасте 97 лет в 2005 г. После этого институт назвали его именем, потому что бóльшая часть жизни института была связана с Котельниковым.
После него в 1987 г. директором стал Юрий Васильевич Гуляев, мой научный руководитель. После него эти бразды я принял на себя. Возвращаясь к истории создания, должен сказать, что в 1955 г. (кстати, это год моего рождения) было принято решение о создании Фрязинского филиала института.
— Почему это было важно?
— Это был закрытый филиал — подмосковное Фрязино тогда было городом электронной промышленности. Зеленограда тогда еще не было. И вся электроника — вакуумная, твердотельная, которая только начиналась — делалась там. Идея была такая: создать большой научный институт, при нем специальное конструкторское бюро, которое через себя могло передавать разработки ученых на предприятия.
До сих пор многие из них существуют. Завод «Исток», сейчас — Национальный центр сверхвысокочастотной электроники РФ, уже тогда был гигантским предприятием. Оно использовало научные разработки нашего института, чтобы их применять в космосе и для гражданских нужд.
В 1979 г. было принято решение о создании филиала нашего института в Саратове, где тоже была сильная электронная промышленность. Она до сих пор функционирует, многие предприятия там активно работают. И был создан еще один филиал — в Ульяновске. На сегодня это единственное академическое учреждение в этом славном городе, которое тоже эффективно работает. Там развивается полупроводниковая тематика, фотоэлектроника, волоконная оптика.
Вот такой наш институт разнородный и многоплановый. Специальностей и направлений было создано сразу очень много. Если здесь электроника в твердотельной, полупроводниковой области, то во Фрязине это исследования в космической области.
— Наверняка существовала тесная связь между Фрязином и Королевом, где делали ракеты? Они и расположены рядом.
— Совершенно верно, эта связь была очень эффективной. Тогда это были просто Подлипки. Так что отцы-организаторы нашего института смотрели вперед. И так институт дожил до 70 лет. Дожил неплохо, достойно.
— Знаю, что в Саратове у вас лаборатория, которую вы организовали на средства от первого научного мегагранта, вами выигранного. Это неслучайно, что именно в Саратове, который вы сейчас назвали как один из филиалов института?
— Неслучайно. Дело в том, что в 2010 г. была объявлена программа привлечения ведущих ученых в университеты России. Это интересная программа, которая до сих пор существует, уже было девять циклов. Я решил попробовать себя в качестве претендента. Речь шла о том, что если ты российский гражданин, то не можешь подавать заявку из того же региона, где проживаешь. Поэтому для меня МФТИ, моя альма-матер, не мог быть таким университетом.
А вот в Саратове у нас был филиал. Саратовский университет известен своими научными работами, преподаватели занимают высокие положения в науке. Поэтому я связался с ректором, предложил свою кандидатуру. Мы подали заявку и выиграли этот грант.
Но потом ректорат попросил меня возглавить на общественных началах институт физики и механики Саратовского университета. Я согласился. Там есть наша лаборатория. По мере сил и возможностей я работаю и в том институте.
— Какие проблемы решает институт?
— Поначалу это был гигантский институт. Вся фундаментальная физическая наука была в него влита. Но к тому времени, когда я возглавил лабораторию по этому мегагранту, началась утечка кадров. Нам удалось сохранить институт, и сегодня это физика магнитных и акустических явлений. Он объединяет людей, которые вместе работают, занимаются научными проблемами магнетизма, акустики и фотоники.
— В вашем институте тоже развивается ряд важных научных направлений. Атомным проектом вы уже не занимаетесь, а космосом продолжаете. Какие еще задачи стоят перед институтом сегодня?
— Задачи самые разнообразные. В первую очередь это то, что называется дистанционным зондированием Земли из космоса и не только из космоса. У нас в свое время создавались научные лаборатории, которые располагаются, например, на самолете. Он может летать над определенной территорией и с помощью аппаратуры исследовать поверхность Земли.
Это направление начинается с работ Владимира Александровича Котельникова, нашего основателя, который в 1974 г. с коллегами получил Ленинскую премию за исследование Венеры.
— Что это была за работа?
— Туда посылался спутник, который летал вокруг Венеры. Проблема состояла в том, что Венера всегда покрыта облаками. И, пропуская лазер через ее атмосферу, ты ничего не получишь. А радиосигнал проходит через толщу облаков, достигает поверхности Венеры, отражается от нее, принимается спутником, находящимся на станции «Венера», и посылается обратно на Землю. Здесь данные обрабатывают. И вот в 1974 г. была картирована верхняя, северная часть Венеры. Это была первая такая работа, отмеченная Ленинской премией.
Более чем через год была послана американская миссия, и они смогли картировать южную часть. Но мы были первыми. Это и есть дистанционное зондирование, ценность которого трудно переоценить. В зависимости от диапазона длин волн, частот, которые посылаются в ту или иную точку, ты можешь исследовать очень тонкий слой Земли или поверхности другой планеты.
— В данном случае мы говорим о дистанционном зондировании Земли. Почему это важно?
— Нам надо знать, что происходит на Земле. Разными диапазонами волн можно исследовать разные явления. Например, можно отслеживать пожары до того, как они начались. Или Бурейский оползень 2018 г., огромнейший, рядом с Амуром: спутниковые данные, обработанные нашими коллегами, позволили определить, что это было известно еще за 14 лет до события, в 2004 г. Можно было предугадать.
А это не просто оползень, это сотни метров почвы, перекрывшие всю реку. А там — Бурейская ГЭС! Мы могли предотвратить катастрофические последствия, и этими возможностями надо пользоваться.
Наши коллеги до сих пор обрабатывают эти данные и смотрят — а что там будет через некоторое время, какие геотектонические условия, что может быть дальше?
— Верно ли я понимаю, что многие катастрофические явления можно предсказывать с помощью такого зондирования?
— Совершенно верно, но не только это. Нашими предшественниками в институте были придуманы другие приборы: например, лазерный интерферометр. Территория участка, где находится наш Фрязинский филиал, немаленькая. Было придумано, что нужно сделать лазерный интерферометр, который зарыт в землю на глубине около 2 м, в эти шахты можно зайти. Сам интерферометр длиной 1,1 тыс. м, в форме вытянутого треугольника. Там проложены волноводы, и лазерный луч бегает по этому интерферометру, видит малейшие колебания почвы. В частности, Цусимская катастрофа была им просчитана — он «видел» колебания почвы.
— Из Фрязина?
— Конечно. Этот интерферометр был для других целей — смотреть, где есть аномалии, связанные с человеком: взрыв или что-то еще. Но можно видеть и малейшие колебания того, что происходит на другом конце земного шара. Наш интерферометр прекрасно работает до сих пор.
У коллег из Владивостока есть такие же интерферометры, но находящиеся на поверхности Земли. Мы договорились связать с помощью спутника три таких аппарата — во Фрязине, во Владивостоке и на Камчатке. Тогда это будет устойчивая система, не хуже той, которая определила гравитационные волны.
— У вас и сейчас создается уникальная аппаратура медицинского назначения, в частности связанная с космосом. Один из родоначальников здесь — нынешний научный руководитель, бывший директор института академик Юрий Васильевич Гуляев. Расскажите, что это за аппаратура?
— Действительно, это так. Когда шла речь о космических аппаратах, посылаемых на Венеру, мы понимали, что мощность этих сигналов крайне мала. Но их нужно еще обработать, понять, картировать. Это все было нами сделано.
И тут Котельников и Гуляев поняли: в человеческом организме тоже происходят явления, которые как-то можно зарегистрировать. Например, сердце. Оно работает, кровоток есть, он возбуждает электромагнитные поля, поскольку поток крови — это поток заряженных частиц. Если ток течет, то вокруг него есть электромагнитное поле. Оно, конечно, слабое, но можно его попытаться замерить. И опять же — у нас с вами тела не холодные, наша температура — 36,6°, человек моего роста излучает тепло примерно как стоваттная лампочка.
— Мы светимся?
— Да, но светимся в инфракрасном диапазоне. Если поставить специальный приемник, то видно, что ты светишься. От человека можно согреться, как от батареи. Акустически у нас органы движутся, есть акустические колебания. Химически — каждый из нас чем-то пахнет. Это как отпечатки пальцев — у каждого они свои. И химические процессы у каждого свои происходят. Все это можно замерять.
Но надо было создать соответствующую аппаратуру. Такая идея возникла в конце 1970-х гг. Началось все с тривиальной вещи — изучать известную Джуну Давиташвили, которая лечила многих великих мира сего. Мы задались целью понять, действительно ли она излучает какие-то биополя.
— И что же выяснилось?
— Никаких биополей нет, но есть физические поля биологических объектов. Есть электромагнитное поле, тепловое, акустическое.
— Однако они есть у всех. Что уникального было у Джуны? И было ли?
— Было уникальное. Человек умел в своих пальцах аккумулировать больше тепла, чем каждый из нас. Вообще, любая мать, когда целует своего младенца, чувствует изменение температуры на 0,1°. А когда ты можешь аккумулировать энергию и этим теплом начинаешь делать пассы вокруг себя или кого-то, ты греешь человека. А если ты немного знаешь психологию, то можешь многое человеку внушить. Тут ничего сверхъестественного нет. Уникальное — да, и до нас никто это не исследовал.
— Знания, полученные при изучении феномена Джуны и ей подобных, легли в основу создания новой медицинской аппаратуры?
— Да. Вот пример: магнитокардиограф. Мы знаем, что такое электрокардиограмма. Она показывает на протяжении жизни, что с тобой происходит. Электрокардиограмма измеряет электрические поля, исходящие от миокарда. Сердце сокращается, там есть электромагнитное поле. Электрическая составляющая есть везде — в коже, в мышцах. Поэтому, когда снимают электрокардиограмму, то определяют некое среднее поле. Если мы делаем это каждые полгода на протяжении всей жизни, то эту динамику видно.
А вот магнитные поля очень маленькие, они появляются только при сжимании сердца и мозга. Их величина 10-14 Тл. Однако на основе того, о чем я сказал, сумели создать приборы, умеющие измерять магнитную кардиографию и магнитную энцефалографию. На тот момент это оказалось уникальным. Я помню, что магнитокардиографы стояли в десятке больниц в Москве.
— Знаю, что ваша аппаратура и сейчас есть в Институте медико-биологических проблем. Она использовалась в том числе во время эксперимента «Марс-500».
— Дело в том, что «Марс-500» — это уникальный эксперимент, когда люди в течение 500 дней жили в некоем ангаре, напоминающем поверхность Марса, ни с кем не общались, были изолированы. И за ними «с Земли» велось наблюдение.
Там должно было находиться энное число приборов беспроводной связи. Тогда еще беспроводная связь не была так развита, как сейчас. Но наши коллеги сумели установить датчики кровотока, пульса, давления и т.д. на испытуемых, которые жили на этой станции.
Сейчас лунная программа развивается в Институте медико-биологических проблем РАН. Мы тоже пытаемся с нашими коллегами там работать. У нас действительно есть интересные разработки, которые многих интересуют, в том числе наших «космических» партнеров.
— Вы сами специалист по физике твердого тела, и о ваших разработках можно тоже очень долго рассказывать. Давайте скажем о самых, на ваш взгляд, интересных и актуальных сегодня.
— В октябре 2022 г. исполнилось 40 лет с того времени, когда меня зачислили в штат на должность младшего научного сотрудника во Фрязинский филиал нашего института. Но до этого я три года был аспирантом, три года — студентом МФТИ и тоже приходил в эти стены. Поэтому я здесь уже 47 лет. Больше половины того, что я прожил.
Моим научным руководителем был Юрий Васильевич Гуляев. Это счастье — работать с таким человеком. Юрий Васильевич не давал приказов решать задачи. Он говорил: «Есть такая проблема, попытайся ее решить». Интернета не было, компьютеров не было. Но были библиотеки. Мозги были. Поэтому получилось, что я начал работать в области физики конденсированного состояния и магнитных явлений.
Это быстро вылилось в кандидатскую диссертацию, потом в докторскую. Эта работа в принципе не заканчивается. Я читаю лекции студентам МФТИ, целому потоку. Подходя к весеннему семестру, я чувствую, что половину или треть лекции нужно переписать, потому что за это время жизнь изменилась. Я читаю уже 12 лет, и за это время каждый год обновляется примерно треть лекции.
То же самое происходит в конкретной науке, которой занимаюсь я и мои ученики, мои последователи. Последнее событие — один из моих недавних учеников, хотя ему уже 32 года, Дима Калябин, выиграл крупный грант на создание своей лаборатории в нашем же институте. Всю эту тематику он забрал себе, но мне ничуть не жалко.
— О чем конкретно речь?
— Это новое направление — магноника, мы его придумали. Иначе говоря, диэлектрическая спинтроника. Каждый электрон крутится, у него есть собственный магнитный момент, спин. Он никем не придуман, он есть. И этот магнитный момент может быть разным, направленным в разные стороны. Электроны движутся, аккумулируют, собирают магнитный момент в одном месте с тем или иным направлением. То есть спинтроника связана с магнитным моментом электрона.
— Выходит, существуют не только электроны, но и магноны?
— Электрон — это заряженная частица. А есть незаряженные частицы — магноны, частицы магнитного момента, которые могут существовать в том числе в диэлектрических, непроводящих материалах. Они также могут аккумулировать магнитный момент. Поэтому эту часть спинтроники мы назвали магноникой.
В мире ее называют по-разному. Это направление, которым мы сейчас занимаемся, особенно важно для антиферромагнитных материалов. Мы знаем, что есть ферромагнетики, а есть антиферромагнетики, в них по-разному движется магнитный момент. Эти магнитные моменты компенсируют друг друга и, как может показаться, магнитный момент в сумме равен нулю.
— А на самом деле это не так?
— Не так, потому что и у одного, и у другого сильный магнитный момент. И если сделать так, чтобы они взаимодействовали, то собственные частоты могут быть в области терагерц. Но эта область до сих пор слабо изучена. Вот мы этим и занимаемся.
— Какое все это может иметь прикладное значение?
— Применений может быть множество. Например, магнитная запись на магнитном носителе. Ферромагнитный материал, который разбит на области с разной намагниченностью, где намагниченность лежит в разных направлениях, чтобы общая энергия этого магнетика была минимальной. Так вот, один домен — это бит информации, который мы можем считать, а другой домен — другой бит информации. Отсюда возникают цифры, числа, слова, фразы, вся наша цивилизация.
Конечно, они микронного и субмикронного размера. Но факт в том, что спины тоже могут приносить эти моменты, запоминать. Откуда берется спинтроника и вся наука, связанная с магнетизмом? Оттуда, что тебе надо правильно записать и быстро считать эту информацию. А как это сделать в условиях, когда объемы информации увеличиваются?
— На текущий момент считывание идет с помощью электрических сигналов. Чем ваши принципы лучше?
— С помощью электрических сигналов можно считывать информацию с частотой не больше 10 ГГц. Это раз в миллиардную долю секунды. Быстрее не получается. А при оптическом считывании можно быстрее. Оптика — это свет, и это в 10 тыс. раз быстрее.
Спин-фотоника, которой мы сейчас занимаемся с помощью антиферромагнетиков, может это сделать. До конкретных применений мы еще не дошли, но мы стремимся. А пока используем то, что есть.
— Это и есть квантовый компьютер?
— Нет, это не квантовый компьютер, это другое. На сегодня сделали всего 50 кубитных процессоров на 50 ячейках. Есть стремление получить и больше, и, возможно, это получится. Но сейчас речь идет о квантовой связи, о квантовых коммуникациях, о том, что два квантовых состояния электронов могут быть перепутанными, и это дает принципиально новые возможности.
— За это открытие в 2022 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
— Именно так. Но здесь речь о другом. О том, что с помощью магнонов тоже можно получить такую квантовую перепутанность. До этого пока дело не дошло, но эти спиновые моменты можно использовать, учитывать в дополнительной части исследования идей квантовых компьютеров.
— Вы хотите сказать, что можно создать спин-фотонный компьютер?
— Фигурально выражаясь, можно. Спиновый компьютер уже есть, оптический компьютер идеологически выдержан, чисто оптические процессоры известны. Но чтобы сделать такой компьютер, этот процессор надо увязать с электроникой. Высокие 1014 частоты надо увязать с 1010 частотами. Но это приводит к очень большим потерям. Пока такой возможности нет, но нельзя исключить, что она появится.
— Будем считать это одним из планов на будущее. А какие еще есть идеи, которые вам бы хотелось воплотить?
— Поскольку я работаю в определенной области, еще есть развитие, связанное с акустикой. Как только добавляется какая-то новая составляющая физических процессов, она сразу изменяет весь мир. Акустика влияет на магнетизм, на оптику, и возникают не просто три составляющих — их количество сразу увеличивается даже не в квадрате, а в четвертой степени. Тут сразу возникает нелинейность.
— Весь наш мир нелинеен…
— Это правда. В этой области мы в последнее время сделали много интересных работ. Все говорят о связи уже шестого поколения. Но опять же — надо увеличивать частоты. Обычная связь, с которой мы работаем, четвертого поколения, это 2,45 ГГц. Выше — пятого, шестого поколения. Это более высокие частоты. Нужны новые материалы, новые принципы. Это не только позволит сделать систему взаимодействия нескольких телефонных линий даже в диапазоне мобильной связи, но и даст возможность сделать ее обработку не по волоконно-оптическим связям, а по беспроводным. Это сложная проблема, но скорее всего она будет решена.
Наш институт работает в этом направлении очень давно и хорошо еще с идей В.А. Котельникова. Будучи 25-летним молодым человеком, он в 1933 г. сформулировал «теорему Котельникова» (Kotelnikov sampling theorem). Это теорема деления сигнала, описывающая, как нужно передавать сигнал с помощью определенного деления.
Мы до сих пор пользуемся результатами исследований Котельникова. Работы были тут же засекречены, потому что они имеют непосредственное отношение к закрытым каналам связи. В 1939 г. американский ученый Клод Шеннон придумал примерно то же самое. И потом эта теорема стала называться теоремой Котельникова — Шеннона. В нашем институте очень много разработок, связанных с этим направлением, и до сих пор они развиваются очень эффективно.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук
