Лаборатория квантовой оптико-терагерцовой фотоники
Рассказывает профессор лаборатории квантовой оптико-терагерцовой фотоники физфака МГУ Галия Китаева.
— В чем заключается работа вашей лаборатории?
Наша лаборатория является частью кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ. У нас генерируются коррелированные фотоны – оптический и терагерцовый. Это позволяет исследовать отклик на терагерцовое излучение с помощью оптических методов. Терагерцовый диапазон частот (меньше, чем видимый свет и ИК-излучение, но выше СВЧ) сложен для изучения, там пока нет хороших детекторов. А мы можем регистрировать оптический фотон и таким образом "шпионить" за терагерцовым.
— Где это может применяться на практике?
Пока больше всего обсуждается тема просвечивания объектов. В терагерцовых лучах многие материалы прозрачны – кожа, одежда. А вот кости и влажные ткани у людей непрозрачны. Это можно использовать в системах безопасности, для досмотра багажа или для анализа содержимого упаковок без вскрытия, есть очень актуальные биомедицинские приложения. Однако и это не самое важное свойство терагерцового излучения. Очень важны работы по переходу на терагерцовые частоты при построении высокоемких каналов связи. Мы же сейчас начинаем развивать терагерцовую квантовую оптику.
— Расскажите об истории создания лаборатории.
Основателем направления был Давид Николаевич Клышко. Он в 1966 году теоретически предсказал явление спонтанного параметрического рассеяния – генерацию пар коррелированных фотонов. Сначала ему не поверили, но потом эффект был экспериментально обнаружен. Это во многом стало основой для развития современной квантовой оптики и квантовой информатики.
— Как сейчас организована работа со студентами?
Студенты приходят к нам со 2-3 курса, выполняют курсовые и дипломные работы. Вот, например, Полина, студентка магистратуры, занимается генерацией терагерцового излучения в полупроводниковых пленках и топологических изоляторах. А Сергей, студент 3 курса, исследует новые способы вывода терагерцового излучения с помощью конических призм-каплеров.
— Каковы перспективы развития вашего направления?
Мы работаем над созданием новых квантовых технологий на основе коррелированных оптических и терагерцовых фотонов. Это может найти применение в системах квантовой криптографии, связи, квантовой сенсорике. Уже появляются продолжающие наши исследования теоретические работы других авторов по использованию таких корреляций для межспутниковой квантовой связи.
— Расскажите подробнее о вашей экспериментальной установке.
Для наблюдения корреляций между оптическими и терагерцовыми фотонами нам нужен очень чувствительный терагерцовый детектор. Кроме того, важно минимизировать тепловой шум. Поэтому мы охлаждаем кристалл, генерирующий фотоны, до сверхнизкой температуры – 4 градуса Кельвина.
— Как достигается такая низкая температура?
Мы используем систему с жидким гелием. Он циркулирует по замкнутому контуру – испаряется, охлаждая кристалл и детектор, затем снова сжижается в специальной установке.
— А что можете сказать о детекторе?
Детектор – это отдельная интересная тема. Мы используем сверхпроводящие детекторы. Сверхпроводимость – это квантовое явление, при котором электрическое сопротивление материала падает практически до нуля. Это позволяет создавать очень чувствительные приборы.
— Насколько уникальны ваши исследования?
В области оптико-терагерцовых корреляций мы были первыми в мире. Сейчас есть еще одна группа в Германии, которая работает в этом направлении. Есть теоретики, которые ссылаются на наши эксперименты. Но напрямую наши эксперименты пока никто не повторил – это очень сложная область с множеством технических проблем.
— Когда вы начали эти исследования?
Непосредственно корреляции мы начали изучать в 2021 году. Но подготовка шла намного дольше – мы разрабатывали идеи, покупали оборудование, проектировали установку. Сама идея возникла еще в 2017 году.
— Расскажите, пожалуйста, о практическом применении ваших исследований.
Одно из важных первых применений – калибровка терагерцовых детекторов. С помощью нашего метода мы можем точно определить чувствительность терагерцовых приемников. Это очень важно, так как в терагерцовом диапазоне пока нет легкодоступных эталонных источников излучения.
— Как это работает?
Мы генерируем пары коррелированных фотонов – оптический и терагерцовый. Оптический фотон мы регистрируем с очень высокой эффективностью. И когда мы его фиксируем, мы точно знаем, что был и терагерцовый фотон. Сравнивая количество зарегистрированных терагерцовых фотонов с количеством оптических, мы можем определить эффективность терагерцового детектора.
— Какие еще есть перспективные применения?
Очень интересное направление – это терагерцовая спектроскопия и визуализация. В терагерцовом диапазоне многие материалы, непрозрачные для видимого света, становятся прозрачными. Это позволяет, например, проводить неразрушающий контроль качества продукции.
— А как это связано с вашими исследованиями корреляций?
Использование коррелированных фотонов позволяет значительно повысить чувствительность таких систем. Мы можем детектировать единичные терагерцовые фотоны, что открывает новые возможности для спектроскопии и визуализации.
— Расскажите о сотрудничестве с другими научными группами.
Мы активно сотрудничаем с российскими и зарубежными коллегами. У нас есть совместные проекты с Институтом общей физики РАН, с Московским педагогическим государственным университетом, Российским квантовым центром, Курчатовским институтом, Институтом радиотехники и электроники (Фрязино), Южно-Уральским государственным университетом.
— Как вы привлекаете молодых ученых в вашу область?
Мы регулярно проводим лекции и семинары для студентов, рассказываем о наших исследованиях. У нас есть специальные курсы по квантовой оптике, физике лазеров, лазерной спектроскопии твердого тела для старшекурсников. Кроме того, мы активно участвуем в научно-популярных мероприятиях, таких как Фестиваль NAUKA 0+.
— Какие качества нужны молодому ученому, чтобы успешно работать в вашей области?
Прежде всего, нужен искренний интерес к науке и готовность много учиться. Наша область находится на стыке квантовой механики, оптики и физики твердого тела, поэтому нужна хорошая фундаментальная подготовка. Также важны навыки программирования и работы с современным научным оборудованием.
Физфак МГУ вас ждет!