Как быстро летит время. Еще вчера мы не знали, куда деть десяток проводов от всевозможных гаджетов, а сегодня слушаем музыку в наушниках по Bluetooth и заряжаем смартфоны на ковриках для мыши. На этом прогресс не останавливается, а благодаря ученым физико-технического факультета Университета ИТМО мы можем заглянуть даже в будущее. Там мы найдем ответы на самые интересные вопросы: о передаче информации со скоростью света, развитии технологий беспроводной зарядки и многие-многие другие.
На факультете, которым руководит Павел Белов, нет классического деления на кафедры и лаборатории: здесь есть научный центр — ядро, в котором работают около трехсот исследователей. Все они делятся на научные группы, которые здесь называют кристаллами. Таких кристаллов восемь — как ядер в процессоре смартфона топового уровня, — они располагаются в разных уголках вуза, куда ведут витые мраморные лестницы с ажурной ковкой. Недавно был открыт лабораторный блок, вокруг идет ремонт — реставрируют прилегающие к нему помещения.
«Факультет вырос буквально за несколько лет из лаборатории фотоники — внучки классической оптики, работающей уже не с линзами, а с новыми материалами. Мы поставили задачу: обеспечить рабочими местами умных ребят, которые хотят заниматься наукой, чтобы им не нужно было уезжать за границу. Она решена. Мы умеем заниматься и фундаментальной, и прикладной наукой», — говорит Белов.
В лабораториях как в хирургическом кабинете: нужно надевать белые тапочки, халаты и шапочки, а иногда и очки, ведь во время экспериментов ученые часто имеют дело с лазером. Часть оборудования в лабораторном блоке используется для обучения студентов. Здесь им прививают навыки бережного обращения с приборами, чтобы потом, когда они станут настоящими учеными и будут делать собственные эксперименты, случайно не испортили аппаратуру стоимостью миллионы долларов. Интересно, что большинство «матерых» ученых по внешности и по возрасту — словно студенты, однако их изобретения могут скоро перевернуть весь мир.
Стол с электричеством
Технология беспроводной подзарядки — кого ею сейчас можно удивить? Однако дальность передачи энергии пока ограничена лишь несколькими миллиметрами. А как было бы хорошо — просто прийти в офис, кинуть гаджет на любое место стола и он начал бы заряжаться. Ученые Университета ИТМО решили эту проблему. Результатом их исследований стал прототип умного стола: что на него ни положи — ноутбук, смартфон или фотоаппарат, — устройство автоматически начнет подпитываться энергией.
Разработка девайса ведется четыре года: уже сейчас устройство размером с журнал «Популярная механика» в лаборатории передает мощность без потерь на расстояние 10−15 сантиметров, но это не предел.
— Между двумя устройствами можно поставить руку или голову: передаче энергии это не помешает, а главное, электромагнитные волны не наносят вред организму. Наша разработка позволит избавиться от проводов: технологию можно будет использовать во всех местах, где сейчас есть электрические розетки: дома, в офисе, в самолете, в вагоне поезда, — говорит декан физико-технического факультета Университета ИТМО.
В процессе обмена энергией между двумя разными устройствами происходят потери. Над этой проблемой и ее решением работает сотрудница научного центра факультета Полина Капитанова. Через год-другой задача должна решиться и разработчики смогут приступить к созданию дизайна умного стола, а затем организовать научно-производственный стартап.
— Устройства сами будут решать, от чего будут заряжаться. Нужен протокол, который будет управлять процессом, определять, откуда и куда перекидывается энергия. Пользователю не нужно ни о чем этом беспокоиться, просто все его гаджеты всегда будут заряжены, — уточняет Павел. — Вы же не знаете, сколько энергии тратит ваш телефон, когда он пытается связаться с базовой станцией. Если вы сидите близко к базовой станции, телефон излучает одну мощность, если закрылись в доме подальше — другую, уехали за город — включилась другая частота. Здесь та же история.
Финансово работу над умным столом, а в дальнейшем и комнатой, поддерживает Российский научный фонд. Есть планы широкого сотрудничества и софинансирования разработок с европейскими коллегами из Франции, Финляндии, Хорватии и Великобритании, также заинтересованных в создании технологий беспроводной зарядки.
Трехмерные дисплеи
Для создания трехмерного дисплея ученые пробуют совместить использование новых материалов с технологией голографии. Это будет возможно, если зафиксировать голографическое изображение не на стеклянной пластинке, а на метаповерхности — поверхности твердого тела, перфорированной в масштабе световой волны, за счет чего она приобретает новые оптические свойства.
— Мне эта идея очень нравится: появление трехмерного дисплея откроет новые возможности перед дизайнерами и проектировщиками, поможет в обучении самым разным наукам, — говорит Дмитрий Пермяков, сотрудник научного центра физико-технического факультета Университета ИТМО. — Кстати, первые перестраиваемые поверхности уже получены в австралийской лаборатории профессора Юрия Кившаря.
По мнению Пермякова, трехмерные дисплеи уже можно производить в коммерческих целях, и как только будет найден дешевый способ производства — сделать их массовым продуктом: «Юрий Денисюк, основоположник оптической голографии (он работал на Кадетской линии, откуда совсем недавно переехала лаборатория), первым получил трехмерную цветную голограмму в видимом свете. До него применялись источники излучения на близком расстоянии, а он предложил использовать источники, действующие на расстоянии 10−20 метров, чтобы того же «Медного всадника» изобразить. Сейчас мы уже можем использовать источники, действующие на расстоянии до нескольких сотен метров!»
Кстати, фотоаппараты в современных смартфонах работают по принципу, придуманному еще одним выдающимся советским ученым — Михаилом Русиновым. В 1960-х он создал микрокамеры для КГБ, которые прятали в спичечных коробках и ручках. Устройства были сверхтонкими за счет вынесенного «зрачка», виртуально расширяющего объектив. Это как раз то, что нужно, чтобы вместить сильную оптику в современный ультратонкий аппарат.
Как у Терминатора
Помните фильм «Терминатор-2»: когда герой Арнольда Шварценеггера подсчитывал раненых, после того как прошелся по ним ливнем пуль из авиационного пулемета? В конце этого эпизода зритель смотрел глазами робота, видя на экране цифры, датчик фокусировки и прочие непонятные данные. Скоро такие изображения могут стать реальностью: над тем, как перенести изображение с того же телефона на обычные очки, встроить осветительные приборы в портьеры, создать инновационные солнечные батареи и даже оживить рисунок на вечернем платье, работает группа «Перолаб» (Perolab) во главе с Анваром Захидовым и Сергеем Макаровым. Свое название группа исследователей получила в честь кристалла перовскита, обнаруженного в Уральских горах в 1839 году российским исследователем Львом Перовским и названного по традиции его именем. Кристалл имеет органическо-неорганическую структуру, он очень неустойчив и требует специальных боксов для работы с ним.
— Мы работаем над созданием пленок, которые будут расположены в уголках обычных очков с двух сторон. С виду они прозрачные, но когда при помощи телефона мы активируем изображение на них, то видим совершенно иной мир. Как в кино! В дужки очков будет также встроено устройство звукозаписи: можно идти и наговаривать текст, как на диктофон, или читать, не за рулем, конечно же. Эти пленки смогут подзаряжаться прямо от солнца, безо всяких проводов, — рассказывает Захидов.
Разработками группы Захидова уже заинтересовались крупнейшие мировые компании, одна из них доверила Университету создание очков дополненной реальности. В отличие от существующих шлемов с проводами, они будут визуализировать информацию с помощью тонких перовскитовых пленок. По словам ученого, работы будут завершены через 3,5 года, но уже сейчас он с удовольствием продемонстрировал, как на кусочке пленки загорается зеленый огонек сверхъяркого крошечного светодиода.
— Наши пленки тонкие, пластичные, быстрые и стабильные! — с гордостью резюмирует Захидов.
Информация со скоростью света
Передавать информацию с помощью света научились давно, но принимают ее по-прежнему низкоэффективные электронные устройства и вся выгода от использования скорости света для передачи информации теряется из-за ее медленной обработки. Ученые до сих пор бьются над решением проблемы и мечтают создать такой чип, который позволит заменить электронные устройства для обработки данных оптическими.
— Свет очень давно используется для передачи информации: с помощью костров или маяков древние люди сигнализировали друг другу о различных событиях. С тех давних времен мало что поменялось, только скорость выросла, — рассказал «Популярной механике» Иван Иорш, руководитель группы, исследующей фотопроцессы в мезоскопических системах. Их масштабы составляют от 10 до 100 нанометров, и эти системы слишком малы для описания происходящих в них процессов с помощью классической ньютоновской механики, но слишком велики для применения квантовой механики.
— По оптическому кабелю, уже 30 лет соединяющему Европу и США по дну Атлантического океана, информация перемещается с помощью фотонов — единиц светового потока, и фотоны кодируют информацию примерно так же, как когда-то люди кодировали информацию огнем: огонь горит — единица, не горит — ноль. Только нули и единички можно чередовать с очень большой скоростью. Есть системы, способные считывать информацию со спутников. Но все равно на приеме стоят медленные электронные устройства.
На пути создания быстрого оптического чипа стоит «нежелание» фотонов взаимодействовать друг с другом так, как взаимодействуют электроны. «Многие, в том числе и наши исследования направлены на организацию этого взаимодействия», — продолжает Иван.
Ловушку для фотонов ищут среди двумерных материалов, например, графена, толщина которого составляет всего один атом. По мнению ученого, графен наверняка будет использован в оптическом чипе, но как именно — еще предстоит выяснить. С появлением оптического чипа электронику заменит фотоника и все устройства будут работать намного быстрее — если не со скоростью света, то очень близко к ней.
