Жар и холод: как новосибирские ученые исследуют пучки Бесселя в терагерцовом диапазоне

Реликтовое излучение — это область спектра электромагнитных волн. Помимо него, в спектре есть знакомые нам радиоволны, ультрафиолетовое, рентгеновское и терагерцовое излучения. С последним работает младший научный сотрудник ИЯФ Наталья Дмитриевна Осинцева — она изучает формирование и применение пучков Бесселя в терагерцовом диапазоне. Пучок Бесселя состоит из винтовых волн и распространяется без рассеяния при прохождении препятствий. И если волны реликтового и других излучений изучены достаточно хорошо, то терагерцовое излучение и поведение волн в нем долгое время никто не мог отследить. Сложившаяся с излучением ситуация получила название терагерцового провала — излучение не изучалось из-за отсутствия генераторов и детекторов. В последние годы исследователи научились собирать установки для генерации и детектирования терагерцового излучения. Одна из таких установок — Новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ) в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН — уникальная установка со средней мощностью излучения ~500 Вт. Это на несколько порядков превосходит мощность всех существующих в мире источников терагерцового диапазона. 

Мы узнали у Натальи, что привело ее к бесселевым пучкам и почему она считает ИЯФ лучшим местом для их изучения. 

Старт карьеры

— Расскажите самое главное о себе в нескольких словах.

— Я физик, кручу пучки, и мне очень нравится.

— Всегда ли вы хотели стать физиком?

— В 15 лет я хотела стать физиком или юристом, но в итоге физика перевесила. Я не верю в разделение на гуманитариев и технарей: и физикам важно знать русский и английский языки, потому что мы работаем над научными статьями, где важна начитанность, грамотность. 

— Почему вы решили пойти работать в ИЯФ? 

— Я училась в лицее № 113, в физико-математическом классе. В старших классах нас водили на экскурсию в Институт ядерной физики. Меня восхитили огромные установки в институте, ученые с умными лицами, и я захотела там работать. Нам сказали, что для работы в ИЯФе нужно поступать в НГУ или в НГТУ — я выбрала НГТУ. Изначально мне была интересна ядерная энергетика (спойлер — в ИЯФе ей не занимаются). Но в институте было много других интересных направлений. На третьем курсе университета я пришла в лабораторию 8-1, где изучали пучки. Не знаю почему, но пучки сразу запали мне в душу. В итоге я начала заниматься ими, закончила кафедру электрофизических установок и ускорителей в НГТУ. Год назад я закончила аспирантуру ИЯФа. Недавно я задумалась о том, что суммарно я учусь 21 год: 11 лет в школе и 10 — в университете, аспирантуре. Конечно, ученый учится всю жизнь, а я точно останусь в науке.

Работа с пучками Бесселя и терагерцовым излучением

— Что конкретно вы сейчас изучаете?

— Я изучаю свойства пучков с орбитальным угловым моментом. По-другому они называются закрученными. Если мы разрежем пучок и посмотрим ему в лицо, это будет набор вложенных колец с разными диаметрами. Распределение интенсивности этого пучка описывается функцией Бесселя, собственно, поэтому они так и называются. Не все закрученные пучки бесселевы, но все бесселевы пучки закрученные. Эти пучки при распространении не меняют распределение интенсивности, то есть свою форму. Это важно, потому что, например, стандартная форма лазерного излучения в поперечном сечении — блинчик, который постоянно расходится. Еще хорошо то, что пучок Бесселя восстанавливает свою форму. Мы ставим препятствие, которое не пропускает излучение. Препятствие может быть амплитудным, например алюминиевая фольга, или фазовым, например куском полиэтилена. Пучок теряет форму при прохождении препятствия, но потом восстанавливает ее. 

— Какое практическое применение у пучков Бесселя?

— Терагерцовые закрученные пучки способны в сотни раз увеличить скорость передачи данных. У них к амплитуде и поляризации добавляется еще один параметр, который может быть промодулирован и нести информацию — закрученность, или топологический заряд. Уже есть работы, которые показали скорость один терабит в секунду. Конечно, есть нюансы: терагерцовое излучение хорошо поглощается водой, а ее много в воздухе. Поэтому предполагается транслировать такие сигналы на небольшое расстояние и направленными пучками. Самым простым примером применения можно назвать защищенный Wi-Fi, то есть беспроводный интернет, который не покинет пределов конкретной комнаты или здания. Так как пучок излучения идет не всем одновременно, а конкретно к вам, то это плюс к карме пучка — повышается уровень сигнала и, соответственно, скорость. А бесселев пучок еще и устойчивый из-за своей закрученности. Можно создать до сотни закрученностей в одном пучке, передавая множество сигналов на одной частоте и таким образом уплотнять канал передачи данных.

— Как выглядит ваш обычный день на работе?

— Есть два рабочих состояния: планирование и проведение экспериментов и обработка результатов. Эксперименты проходят не очень часто, но требуется серьезная подготовка: надо найти материал, собрать оптическую установку, протестировать. После эксперимента я обрабатываю данные, ищу новую информацию, пишу статьи. Моделирую в MatLab, рисую красивые схемки установок и делаю презентации для докладов на конференции. 

— Опасно ли работать с терагерцовым излучением?

— Излучение мало изучено, и пока нет работ, которые бы однозначно утверждали, что оно опасное — сунешь руку и вырастет еще одна. Хотя на станции ЛСЭ можно получить ожог, потому что излучение хоть и невидимое, но высокоэнергетичное — теплое, а порой и очень даже горячее. Еще можно повредить зрение, если работать с излучением без очков — луч случайно попадет в глаз, и будет сильный ожог, который приведет к слепоте. Как говорится, лазерщик ошибается только два раза — левым глазом и правым. Когда я в первый раз участвовала в эксперименте, я боялась не радиации, а что-нибудь прожечь.

— Расскажите про тенденции в изучении терагерцового излучения?

— Когда я пришла в лабораторию, изучение закрученных пучков было в зачаточном состоянии. Сейчас мы продвинулись в исследовании их свойств и движемся к практическому применению пучков. Я хочу изучать передачу информации, то есть, как можно закодировать данные в пучке и передать. Но здесь тоже есть проблемы из-за невидимости излучения. Надо придумать, как и чем кодировать/декодировать информацию. Мы принимаем на вооружение методы из других спектральных диапазонов, повторяем то же самое, что делали в радио- и оптическом диапазоне. 

— Что самое сложное в вашей работе?

— Для меня это моделирование и программирование. Программисты ценятся в физическом сообществе, но, к сожалению, у меня неподходящий склад ума. Еще я устала от учебной отчетности: каждый семестр зачет по практике, надо обязательно что-то сдавать. А мне хочется просто работать, у меня столько в голове проектов и желаний, идей по коллаборациям с другими институтами. 

— Что вам больше всего нравится в работе?

— Собирать установки, работать руками — проводить эксперименты. У меня долго не было экспериментов, потому что сейчас я пишу статьи и диссертацию. Я грустила и просила что-нибудь покрутить — поработать на экспериментальной станции. Однажды мы проводили эксперимент, и мне сказали, что мы проводим такой опыт впервые в мире. Это меня поразило. Я такой человек: меня не столько волнуют, например, материальные блага, сколько осознание того, что мы первые в мире проводим эксперимент — это для меня важно. Ты не знаешь, каким будет результат. И когда ты видишь, что пучок распространяется так, как было рассчитано, правильно восстанавливается — это поражает. Когда я только пришла в лабораторию, я еще не понимала всего, что происходит. Мой руководитель хлопала в ладоши и говорила: «Классно-классно, смотри, что мы получили». А я не понимала. Сейчас я сама в роли руководителя и хлопаю в ладоши после эксперимента. Мой студент, опять же, этого не понимает. Очень здорово, когда ты видишь то, что ты ожидаешь увидеть. Потому что часто получается наоборот.

— Какие есть особенности в вашей работе?

— Лазер на свободных электронах работает с октября по май, потому что летом ему слишком жарко. Летом мы обрабатываем данные, пишем статьи — без дела не сидим. Чем больше установка, тем больше тепла она выдает, надо ее охлаждать. Зима — отличное время для работы, особенно в Сибири.

Работа в ИЯФе

— Нравится ли вам работать в ИЯФе?

— На конференциях я много общалась с людьми из других институтов: спрашивала, какие у них условия в лабораториях, оборудование, зарплата. И каждый раз я понимала, что ИЯФ классный, вот честно! Например, нет никаких проблем, чтобы поехать на конференцию. Руководство поддерживает поездки и всячески помогает.
Мой научный руководитель рассказывала, что в другом институте всё нужно было собирать из подручных материалов. В ИЯФе не так: например, по оптомеханическим элементам у нас есть всё необходимое. Приходится, конечно, что-то допиливать иногда, если это нужно срочно, но в целом у нас всё хорошо с техникой, не нужно самому выдумывать, как собрать оборудование.

— Что дает участие в конференциях молодым ученым?

— Первый раз я поехала на конференцию на первом курсе магистратуры. Много участвовала и когда училась в бакалавриате, в том числе в международных конференциях. Приезжают ученые из разных городов и стран, а ты еще неопытный, кажется, что ничего не знаешь, страшно с ними разговаривать. 

Я думала, зачем надо студентов отправлять в какую-то командировку, тем более это же деньги!
Оказывается надо. Это отличный опыт: и выступление со своей работой, и прослушивание других докладов. Приобретение новых знаний в попытках разобраться, возможно, не с самой близкой, но не менее интересной для тебя темой.

Самой впечатляющей для меня командировкой была поездка  в Японию, в 2018 году. Это было поощрение от научного руководителя в честь окончания магистратуры. Очень большая конференция. У меня был устный доклад, сначала, конечно, было страшновато, но быстро освоилась. Было безумно интересно общаться с людьми, получать новый опыт.  

Сейчас хочется на большую конференцию в Пекин. Из-за коронавируса долго никто не ездил, надеемся, что теперь всё получится. 

— Для ученого важно знать английский?

— Да, важно. Английский — это хорошие журналы, благодаря которым коллеги узнают о твоей работе, смогут на тебя сослаться, предложить коллаборации. Английский — это общение. Для ученого важен обмен информацией. Можно биться над какой-то проблемой, а кто-то ее уже решил. 

— Насколько для вас важны материальные блага вне работы? 

— Материальные блага меня, конечно, интересуют в плане жизни, это естественно. Но если у меня будет крыша над головой и стабильный доход, чтобы не думать о завтрашнем дне, мне будет достаточно. Поэтому, любимое дело — основное, что меня волнует.

В конце февраля мы ездили на конференцию в Москву. Когда был свободный день, нас пригласили на две экскурсии: в лабораторию волновых процессов МГУ и бывшее конструкторское бюро. Много интересного почерпнули в плане работ с терагерцовым излучением. Там я поняла, что погулять по лабораториям может быть гораздо интереснее, чем бегать по достопримечательностям.

Про жизнь

— Что вам нравится из музыки, кино?

— Слушаю КиШа (рок-группа «Король и шут». — Прим. ред.) в последнее время, потому что сериал посмотрела. Он мне и до этого, конечно, нравился, но сейчас совсем из головы не выходит. Нравится рок. В хорошей компании можно что-то из 90-х. А нового кино давно не смотрела, в основном хочется пересматривать старое. Из любимого: советская классика — «Любовь и голуби», лучший фильм времен и народов, конечно же, «Гарри Поттер», обожаю эту вселенную, в том числе и перечитывать. Это первое что пришло на ум.

— Какую часть вашей жизни занимает работа?

— Сейчас основную. Сталкиваюсь с тем, что весь день на работе, но ничего не успеваю. В течение дня наваливается много параллельных задач. Я уже себе завела ежедневник в виде календарика и список задач. Он быстро пополняется, но почему-то не уменьшается с той же скоростью.

Свободного времени очень мало. Я КиШа (недавно вышедший сериал про рок-группу «Король и шут». — Прим. ред.) смотрела две недели. Потому что порой приходила в десятом, в одиннадцатом часу и могла только поесть и лечь спать. Меня напрягает, что часов в сутках так мало, хочется многое успеть. И работать мне искренне интересно, и по дому за меня никто дел не сделает. Сериальчик тоже иногда хочется посмотреть, погулять.

— Как выглядит ваш идеальный мир при развитии закрученных пучков?

— Идеально, чтобы в наши телефоны приходили закрученные пучки и быстро передавали информацию. Или, например, на плейстейшн игра скачивалась бы не за тридцать, а за пять минут. И появился бы сверхскоростной интернет 6G за счет уплотнения потока передачи данных.

— Как думаете, это возможно достичь в ближайшие 10—20 лет?

— Насчет десяти лет не уверена, многое зависит от заинтересованности компаний, а в чем они будут заинтересованы, кто же знает.

Для меня наука важнее, чем продажа технологий. Мне это интересно только в связи с конференциями и конкурсами, за победу в которых можно получить грант на реализацию своих идей. Вот там нужно демонстрировать различные применения, и нужны соответствующие работы. 

— Что вы хотите делать дальше?

— У нас уникальный источник, мощное излучение, матричные детекторы. Это огромный плюс к значимости работ. Такого в России больше нигде нет, подобных установок всего пять-шесть в мире.

Хочу провести обзор литературы по детекторам терагерцовых волн. Обычно источники маломощные, и регистрируют изображение с трудом. Например, однопиксельным детектором, то есть картинку 20х20 миллиметров приходится долго сканировать. А у нас есть матрицы, с помощью которых можно визуализировать пучок в реальном времени.

Планирую и дальше заниматься наукой. Уезжать я никуда не хочу. Мне нравится Новосибирск, мне нравится Россия, мне нравятся мои пучки. У нас с ними любовь.