В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН состоялся традиционный новогодний семинар, организованный заведующим лабораторией физики низкоразмерных электронных систем доктором физико-математических наук Дмитрием Харитоновичем Квоном. На мероприятии сотрудники ИФП СО РАН и гости из других научных организаций поделились своим мнением о самых впечатляющих научных результатах 2019 года. В числе последних — квантовое превосходство Google, возможность получения сверхпроводимости при высокой температуре, появление химерных животных, способы применения гигантского комбинационного рассеяния света и другие интересные работы.

Открыл мероприятие директор ИФП СО РАН академик Александр Васильевич Латышев, поздравив участников семинара с наступающим Новым Годом и представив «цифры и факты» ИФП СО РАН 2019 года.

«Сегодня в ИФП СО РАН работает более тысячи человек, в уходящем году мы создали две новых молодежных лаборатории в рамках нацпроекта «Наука», в которых работают исключительно молодые ученые. В апреле ИФП СО РАН исполнилось 55 лет. На торжественном заседании, посвященном этому событию, член-корреспондент РАН Игорь Георгиевич Неизвестный, академик РАН Александр Владимирович Чаплик, академик Александр Леонидович Асеев, ведущий инженер-конструктор Пётр Григорьевич Сарафанов и другие сотрудники института рассказали об истории его становления, развития и современном состоянии», — отметил Александр Латышев.

Традиционными направлениями деятельности ИФП СО РАН остаются ориентированные фундаментальные исследования; прорывные технологии и новые материалы; проекты полного цикла и подготовка кадров. За авторством сотрудников института в 2019 году опубликованы статьи в таких престижных научных журналах, как Science, Nature Photonics, Physical Review Letters, Carbon и других. Директор ИФП СО РАН отметил активную научную деятельность молодых сотрудников: в 2019 году они получили стипендии президента РФ, правительства РФ, грант президента РФ. Проекты молодых ученых поддержаны Российским научным фондом (10 грантов в 2019 году), Российским фондом фундаментальных исследований (13 молодежных грантов в 2019 году).

«ИФП СО РАН продолжает наращивать связи с зарубежными научными организациями: специалисты института участвуют в международных конференциях, выезжают для совместной работы в иностранные научные учреждения, работают по совместным грантам. В уходящем году институт провел четыре конференции, на которые приезжали ведущие российские и зарубежные исследователи. Самая большая по численности — “Российская конференция по физике полупроводников”, ее участниками стали более 350 человек. ИФП СО РАН может похвастаться и “академическим” ростом — заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур Виктор Яковлевич Принц избран членом-корреспондентом Российской академии наук», — добавил директор ИФП СО РАН.

Следующие сообщения участников семинара преимущественно касались впечатливших их разнообразных научных работ 2019 года. Например,

...об изучении всемирного культурного наследия с помощью ионитов

рассказал профессор университета Технион (Израиль) Эммануил Баскин, бывший сотрудник института. Он входит в состав международной коллаборации, которая разрабатывает высокоточные методы анализа, используемые, в частности, для изучения объектов всемирного культурного наследия: например, рукописей Михаила Булгакова, Джакомо Казановы.

«С помощью специально подготовленных ионитов (нерастворимых высокомолекулярных соединений, способных поглощать из раствора положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентные количества других ионов, содержащихся в ионите, имеющих заряд того же знака — Прим.авт.) нам удалось извлечь из рукописей те вещества, которые оставили авторы, прикасаясь к бумаге. В случае работ Булгакова — это, например, белки, характерные для болезни почек (известно, что он страдал ею), следы морфина, который писатель использовал для облегчения состояния. На рукописях Казановы мы обнаружили соединения ртути, следы опиумной настойки и другие вещества», — объяснил Эммануил Баскин.

По словам ученого подобная технология извлечения следовых количеств веществ востребована в медицинской диагностике, для исследования объектов всемирного культурного наследия, как сравнительно молодых (до 500 лет), так и более древних.

...о квантовой запутанности

Старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров сообщил о работе, сделанной в университете Висконсин-Мэдисон (США), результаты ее опубликованы в журнале Physical review Letters. Достижение авторов — получение 90 % точности генерации перепутанных состояний Белла — простейшего примера квантовой запутанности, когда квантовые состояния частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. То есть воздействие на состояние одной частицы, мгновенно передается другой.

«Это рекорд для системы, в которой реализовано когерентное возбуждение на высоколежащие ридберговские состояния, адресованное только к одному атому. Воздействие на один атом не оказывает никакого влияния на соседние, этого довольно сложно добиться», — отметил ученый.

Также Илья Бетеров рассказал, какая техника нужна, чтобы сфотографировать одиночный атом, захваченный в оптический пинцет и показал свой авторский снимок такого объекта. Фото было сделано камерой Flir Tau CNV, возможности которой, по словам исследователя, уже находятся на пределе современных требований. Более перспективна камера Nuvu EMCCD, которая, однако, в данный момент в Россию не поставляется.

...о половых коготках

Ведущий научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» кандидат биологических наук Нариман Рашитович Баттулин рассказал о недавней работе биологов, связанной с исследованием брачного поведения дрозофил.

«Была загадка, которую больше ста лет не могли разгадать: дрозофилы с мутацией в гене, ответственном за цвет тела, хуже спариваются с самками, чем те мухи, у которых этой мутации нет. В первом случае цвет самцов — желтый, во втором — черный. Никто не знал, почему эта мутация оказывает такое влияние на поведение, было предположение, что это связано с нарушением синтеза дофамина», — отметил Нариман Баттулин.

Дофамин — это ключевой элемент системы вознаграждения, который вызывает чувство удовольствия и удовтлетворения, также он необходим для образования черного пигмента меланина.

«Коллектив исследователей решил разобраться, где конкретно в нейронах дрозофил нарушается синтез дофамина и почему они (дрозофилы желтого цвета — Прим. авт.) так плохо размножаются. Поведение этих мух регулируется специальными подсистемами в мозгу, там порядка 2000 нейронов и авторы планомерно выключали ген Yellow в этой системе нервных клеток. Отключили везде, во всех нейронах, но не воспроизвели мутацию.

В итоге ученые выяснили, что “виноваты” половые коготки на лапках у самцов, которыми они хватают самку, и если в половых коготках будет мало меланина, то последние становятся мягкими и самцы не могут удержать самку. Сто лет считалось, что это особенности поведения, а оказалось — дело в механике процесса!», — подчеркнул Нариман Баттулин.

...о гигантском комбинационном рассеянии света

С содержанием научного обзора соответствующей тематики, опубликованном в журнале ACS Nano и написанном коллективом из 59 авторов слушателей познакомил заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин. Гигантское комбинационное рассеяние света (ГКРС) — получение усиленного сигнала комбинационного рассеяния с помощью, например, наночастиц металлов. При комбинационном рассеянии небольшая часть фотонов меняет свою частоту в результате взаимодействия с молекулами какого-либо вещества.

«Одно из выдающихся достижений метода ГКРС — совмещение гигантского комбинационного рассеяния света и ближнепольной микроскопии: сканирующей туннельной микроскопии или атомно-силовой. Если молекула помещена вблизи металлического острия микроскопа, то можно усилить сигнал такой молекулы. В этом году была опубликована работа, в которой показано, что разрешение оптического метода может достигнуть величины в один ангстрем. Причем возможна визуализация нормальных колебательных мод одной молекулы» — отметил Александр Милёхин.

Ученый привел исключительно новогодний пример практического применения подобных методов. «Группа исследователей изучала ряд объектов: совиньон блан, пино нуар, шираз, мерло, каберне совиньон. Оказалось, что при помощи ГКРС можно визуализировать в этих научных образцах содержание красителей», — добавил Александр Милёхин.

...об оживленных мозгах, очеловеченных и химерных животных

Символ уходящего года — свинья, и в 2019 году благодаря этому животному биологи совершили несколько удивительных открытий

«В апреле этого года ученым удалось “оживить” мозг свиньи после смерти (мозг получили через четыре часа — Прим. авт.) и в течение 10 часов через него прокачивались специальные растворы, проводилось наблюдение — клетки мозга не умирали, а нейроны показывали электрическую активность. Возможно, это открытие позволит предотвратить необратимые процессы, происходящие с клетками мозга человека после смерти», — рассказала младший научный сотрудник ФИЦ ИЦиГ СО РА Татьяна Александровна Шнайдер.

Еще одна работа, в которой без свиней не обошлось, связана с получением донорского материала. Известно, что животные не могут быть его поставщиками для людей в силу большой генетической разницы и возникающего вследствие иммунного отторжения.

«Один из способов “очеловечить свинью” — геномное редактирование», — объяснила Татьяна Шнайдер. По словам исследовательницы китайская компания «eGenesis» 28 ноября анонсировала появление свиней, с самой большой по своей статистике генетической модификацией из всех существующих.

«На своей странице “eGenesis” пишет, что в скором времени они будут приступать к клиническим испытаниям. Поэтому высока вероятность того, что лет через пять появятся пациенты с пересаженными очеловеченными органами», — добавила Т. Шнайдер.

Второй способ получить донорские органы с помощью животных — вырастить их внутри последних. «В эмбрион свиньи нужно привнести клетки человека, из которых потенциально могут формироваться нужные органы. Но при этом есть вероятность, что клетки начнут формировать головной мозг, и возникает масса этических вопросов, связанных с тем, можно ли использовать животных, у которых часть головного мозга состоит из человеческих клеток. Поэтому эксперименты на людях и свиньях с созданием таких химерных животных не проводились. Но в начале декабря одна из лабораторий опубликовала статью, в которой говорится о том, что родились поросята с клетками макаки-крабоеда. Это первая работа, которая показывает принципиальное существование организма химеры между свиньей и приматом», — подчеркнула биолог.

...о святом Граале физики твердого тела — металлическом водороде

«Металлический водород — материал, которому приписываются все мыслимые и немыслимые свойства, ему предсказали судьбу самого высокотемпературного сверхпроводника», — так начал свой доклад заместитель заведующего лаборатории физики низких температур Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Николаевич Лавров.

«Как и положено Граалю, он не давался в руки долгое время, только недавно начали появляться сообщения о том, что вроде бы удалось получить металлический водород. К сожалению, это до сих пор остается в виде сказаний, поскольку никто этого не видел, и не все в это верят», — добавил ученый.

Как объяснил Александр Лавров, плотность атомов водорода в гидридах металлов может быть существенно выше, чем в жидком водороде, и в 2017 году для гидрида серы удалось получить выдающееся значение температуры сверхпроводящего перехода — 190 градусов Кельвина.

«Затем, согласно сделанным ранее теоретическим предсказаниям, серу “заменили” на редкоземельный металл, — и температура сверхпроводящего перехода в образце гидрида лантана достигла 270 градусов Кельвина. Конечно, подобные эффекты наблюдаются только при сверхвысоких давлениях. В последние месяцы появились расчеты, в которых для более сложных гидридов предсказаны температуры сверхпроводящего перехода выше 400 градусов Кельвина — то есть около 200 градусов Цельсия», — подвел итог исследователь.

...о квантовом превосходстве Google

Рассказал старший научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев.

«Сотрудники Института Google опубликовали статью в Nature, которая начинается со слов “квантовое превосходство”. Я считаю, что это фантастически сложный и красивый эксперимент, его семьдесят семь авторов хорошо потрудились. Они утверждают в этой работе, что на квантовом компьютере впервые сделано такое вычисление, которое обычному классическому компьютеру “не по зубам”, и, таким образом, достигнуто квантовое превосходство», — уточнил ученый.

Как объяснил Алексей Ненашев, парадокс в том, что данное утверждение проверить нельзя, поскольку объем памяти даже самого высокопроизводительного, обычного (не квантового) компьютера недостаточен для повторения эксперимента. Вероятности того, что каждый этап эксперимента — это именно следствие вычислений квантового компьютера, а не просто случайный набор нулей и единиц, невозможно смоделировать на классическом компьютере.

«Получается, что пока квантовое преимущество есть, мы не можем проверить его наличие. И лишь в будущем сможем узнать, что в 2019 году было достигнуто квантовое превосходство. Но, находясь в 2019 году, мы этого сделать не можем, и поэтому надо двигаться в направлении следующего года!», — завершил свое сообщение исследователь.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Фото Владимира Яковлева (1 и все спикеры)

Ильи Бетерова (2)

Надежды Дмитриевой (3)

Фото спикеров можно найти по ссылке https://drive.google.com/open?id=1wsyq6sSOCRzNGAV9YSIL0OsMZp1SL4bP