Сделать невидимое видимым

Владимир Шалаев — о фотонике, практическом приложении науки и о бюрократии

Владимир Шалаев. Фото: Денис Вышинский / ИТАР-ТАСС
Владимир Шалаев. Фото: Денис Вышинский / ИТАР-ТАСС

Владимир Шалаев — американский физик русского происхождения, профессор Университета Пердью (США). Он специалист в области нанооптики и метаматериалов, лауреат премии имени Макса Борна (2010) и премии Уиллиса Лэмба (2010) и один из самых высокоцитируемых российских физиков, живущих за рубежом. Мы встретились с Владимиром во время его визита в Красноярский научный центр и поговорили о физике метаматериалов и формах организации современной науки.

 — Давайте начнем с физики. Когда мне представляли вас, красноярские физики сказали, что вы человек, который открыл «плащ-невидимку». Это правда?

— Как я устал от этого вопроса.

— Я знал, что вы так ответите. Тем не менее.

— Я не создавал «плащ-невидимку». На самом деле первый, написавший об этом еще в 1961 году, из тех, кто мне известен, был, наверное, российский физик Лев Долин. Он по-прежнему жив и здравствует в Нижнем Новгороде. Но тогда это никакого резонанса не имело. Потом совершенно независимо в 2006 году этот эффект «переоткрыл» Джон Пэндри (John Pendry) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), и он (эффект) стал очень популярным. Что касается нашей группы, мы предложили конкретный дизайн материалов, с помощью которого явление невидимости можно реализовать в видимом диапазоне спектра. Это имело большой общественный резонанс, потому что мы предложили вещи, которые касаются экзотических проявлений, того, как сделать что-то видимое невидимым.

Статья Optical cloaking with metamaterials, одним из соавторов которой является Владимир Шалаев, была опубликована в журнале Nature Photonics в 2007 году и на сегодня имеет полторы тысячи цитирований.

Честно говоря, я никогда не собирался этим заниматься, у меня никогда не было цели сделать, например, танки невидимыми, поскольку это очень прикладные исследования. Мне хотелось, как раз наоборот, используя эту идею, сделать невидимые вещи видимыми. Так чтобы можно было увидеть объекты, которые по размеру намного меньше длины волны света, и в нормальных условиях ты их не можешь видеть. Дело в том, что оптическим прибором невозможно увидеть детали размером меньше, чем половина длины волны видимого света, порядка половины микрона. А если хочется увидеть объекты размера ДНК или вируса, которые намного меньше этого размера, то нужно использовать так называемые металинзы. Мне кажется, идеи очень похожие. В одном случае ты хочешь сделать вещи невидимыми. В другом, наоборот, видеть то, что обычным образом не увидишь. И эта задача мне казалась более интересной. Честно говоря, мы больше двигались в направлении метаматериалов — искусственно созданных материалов с не существующими в природе свойствами.

Плащ-невидимка, с которого мы начали разговор, лишь одно из возможных применений метаматериалов. Важно, что с помощью таких материалов можно создавать пространство для света. Обычно свет в свободном пространстве распространяется вдоль прямых линий — лучей. А метаматериалы как бы искривляют пространство, заставляют свет идти в определенном направлении. Они могут работать, как черная дыра, и полностью захватывать свет или делать так, чтобы свет огибал предмет. Если создать из таких материалов одежду, то появится эффект невидимости. Свет обходит вокруг вас, можно увидеть, что находится за вами, но вас увидеть становится невозможно. На самом деле у метаматериалов применений оказалось крайне много: в энергетике, в катализе, в оптике, те же самые линзы, которые позволяют увидеть невидимый объект.

С моей точки зрения, концепция метаматериалов, которые позволяют создать пространство для света и контролировать его свойства, — одна из самых блестящих идей в физике за последнее время. На самом деле более интересный результат не уже упомянутый плащ-невидимка, а работа, где мы продемонстрировали первый материал с отрицательными показателями преломления. Показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света замедляется в материале по сравнению с вакуумом. Обычно в материале свет распространяется чуть медленнее, потому что он взаимодействует с атомами. Отрицательное преломление говорит о том, что энергия в таком материале распространяется в одном направлении, а фаза — в другом. Это фантастическое явление.

Статья Optical negative-index metamaterials была опубликована Владимиром Шалаевым в журнале Nature Photonics в 2007 году и на сегодня процитирована 2272 раза.

— Думаю, что никто из читателей не поймет слова про фазу и энергию. А можно объяснить проще?

— Когда вы бросаете камень в воду, волны кругами расходятся в сторону от камня. Если бы у воды был отрицательный показатель, они бы шли вовнутрь. То есть камень упал, энергия от камня идет в стороны, а волны — внутрь.

— Это теоретическая физика или здесь уже возникает контакт ученых с инженерами?

— Если вернуться к истокам, то работать я начинал в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск), где и защищал диссертацию. Я и занимался теоретической физикой, и кандидатскую диссертацию защищал по теоретической физике. Но в какой-то момент понял, что в реальности теория, не сделанная совместно с экспериментом, часто забывается. И поэтому — будучи по образованию теоретическим физиком — я и сотрудники моей большой лаборатории не занимаемся чисто теоретическими работами. Если у нас есть какая-то идея, мы всегда стараемся ее реализовать. Мы ведем проекты от начала, от идеи, и до конца.

— Реализовать самим или передать на сторону? В России сейчас все озабочены инновациями и внедрением результатов исследований в практику.

— Цель считается достигнутой, когда мы создаем прототип. Если вещь получается удачной, успешной — она идет в промышленность. Это тонкий вопрос, что из того, что делают физики, идет в промышленность. Реально это очень маленький процент. Дело не только в том, что промышленность неподвижная и инерционная. Дело еще и в том, что ученые мало задумываются о том, что действительно может понадобиться промышленности. Зачастую задача ставится в терминах: «А что будет, если у верблюда будет три ноги и четыре горба», — но так не бывает. Часто много фантазийных вещей, которые, к сожалению, не могут быть реализованы. Например, в исследование берут материалы, которые промышленность в принципе не может использовать. То, чем я сейчас занимаюсь, — физика, которая имеет большой шанс использоваться в промышленности.

— Из вашей лаборатории какие-то стартапы и фирмы вырастают? Грубо говоря, молодые ученые, которые решили заниматься бизнесом, «отпочковываются» и идут из науки в бизнес?

— Достаточно большое количество моих выпускников идет не только в науку, но и в ведущие промышленные компании. Есть и стартап-компании. Наша концепция состоит в том, что мы генерируем новую идею. В Америке это называется инженерия, хотя то, чем мы занимаемся, — это прикладная физика. Цель считается выполненной, если мы сгенерировали хорошую физическую идею, довели ее до прототипа, и потом, чтобы она вошла в промышленность. Фокус наших исследований в последнее время сильно сместился. Мы сразу понимаем, с какими материалами промышленность будет работать, с какими — нет, сколько это стоит, будет ли совместимо с тем, что уже используется, допустим, в электронике.

— То есть вы формулируете свою научную задачу сразу с учетом ограничений, существующих в промышленности?

— Понимаете, есть очень много интересных задач. Можно всю жизнь заниматься интересными задачами, но их решение никому не нужно. А можно сделать что-то такое, что действительно изменит жизнь людей во всем мире. Сколько на нашей памяти было такого? Например, смартфоны. Мы сейчас занимаемся компонентами, которые могут существенно изменить память смартфона, например. Наверно, вы это вычеркнете: понимаете, можно заниматься сексом, а можно заниматься мастурбацией. Если занимаешься теорией, которая никому не нужна, это мастурбация. Если ты делаешь что-то такое, что реализуется, то это секс.

— Тогда провокационный вопрос. Можно ли сказать, что российская наука в основном занимается мастурбацией, а американская — сексом?

— Вопрос, наверное, глубже, чем кажется. Прежде всего я сразу хочу оговориться: я живу на Западе с 1990 года, из них 25 лет — в Америке. Если меня спросят про американскую физику, я могу говорить как эксперт. Потому что я влияю на то, как развивается американская физика, по крайней мере в моей области исследований. Про российскую науку я, конечно, что-то знаю. Я член Консультативного научного совета фонда «Сколково», руководимого двумя нобелевскими лауреатами. В принципе я знаю современную российскую науку, но все-таки я не эксперт. Мое впечатление, что требуются изменения и создание по-настоящему хороших инновационных центров. Видите ли, наука не бывает второго сорта. Это либо наука, либо не наука. Когда в России обсуждается, что эффективность ученого нужно учитывать только по статьям в русской печати, это полнейшая бессмыслица. Если что-то действительно новое в мире, то неважно где — в Козульке или в Нью-Йорке — оно сделано. Поэтому я не понимаю термина «русская наука». Я понимаю — «наука»! И в этом смысле я должен сказать, что реформу в России надо было делать самой Академии наук, а не ждать, когда она придет сверху. С другой стороны, в том виде, как она сейчас произошла… конечно, ломать, как говорится, не строить. Разрушили, а нового пока что-то тоже не видно. Конечно, [в России] существенное отставание образования и науки. Но есть очень хорошие примеры. Приятно о них говорить. Мне нравится концепция «Сколково». Я много лет как эксперт оцениваю проекты «Сколково». Я лично участвовал в создании Русского квантового центра вместе с Михаилом Лукиным из Гарварда, выпускником Физтеха. Мы просто наняли лучших людей в этой области, и сейчас Российский квантовый центр, с моей точки зрения, лучше всех в России. Они публикуются в Nature, Science. Если смотреть на них — это наука.

— Прозвучало ключевое слово: «Мы наняли». То есть без денег ничего не получится?

— Нас было трое в комиссии, и мы нанимали людей, отбирали. Деньги играют свою роль: у сотрудников в центре зарплаты на западном уровне. Без денег ничего не получится, это правда. Еще один положительный пример — Сколтех, ректора его, Кулешова Александра Петровича, я хорошо знаю — у него собраны блестящие молодые люди! Я это вижу, когда выступаю. Глаза горят, они сейчас уже выигрывают олимпиады, ездят в лучшие университеты. То есть появляются такие островки реальной науки. Но этого маленькие островки. Как из этого вырасти…

— Хорошо, бюджет российской науки — это бюджет пары американских университетов. Так что, оставить в стране науку, соответствующую по объему двум университетам?

— Здесь как раз начинается граница, за которой мне уже некомфортно говорить. Я все-таки выступаю как эксперт со стороны, а в Америке наука финансируется щедро. Кстати, в основном это Department of Defense (Министерство обороны). При этом не требуется проводить чисто военные исследования — они настаивают, чтобы исследования были фундаментальными. Но, тем не менее, это военный бюджет.

То, сколько Россия сегодня вкладывает в науку, — это просто смешно. Действительно, на уровне двух приличных университетов. В моей лаборатории бюджет наверняка больше бюджета большого российского института. С моей точки зрения, здесь фундаментальное непонимание ключевой роли науки. Потому что все будущие технологии растут из науки. Это полное обречение на отставание, причем существенное, на уровне нескольких поколений.

В России, безусловно, огромное количество талантливейших людей. Но у них нет возможности себя реализовать, во многих случаях — из-за отсутствия адекватного финансирования. Но все-таки, как говорят в Америке, «дорога эта в двух направлениях». В этом большая вина науки, академии в том числе. Реформы должны были быть сделаны гораздо раньше, изнутри, а не снаружи, малопонятные простому человеку. Видимо, наука в России не сделала того, что могла бы сделать. Какое решение? Мне трудно судить. Но, безусловно, без денег реально сделать ничего нельзя. Наука все-таки экспериментальная область. Как можно конкурировать с любым западным институтом, если нет, например, «чистых» комнат, которые стоят бешеных денег? Это невозможно. У нас в лаборатории «чистые» комнаты — вторые по чистоте среди всех университетов Америки.

— Здесь нужно объяснить, что такое «чистая» комната. А то люди подумают, что чистой комната становится после уборки тетей Дусей.

— Я был в одном ведущем научно-техническом российском учреждении, не буду его называть. Меня с гордость провели в «чистые» комнаты. Ощущение, что там, как вы говорите, тетя Дуся тряпкой протирает. «Чистая» комната — это одна маленькая пылинка на кубометры воздуха. Должны быть установлены мощные системы, которые поддерживают чистоту. Они стоят громаднейших денег. А без этого тот же плащ-невидимку, с которого вы начали, просто невозможно сделать. При этом используются самые передовые технологии. Они, конечно, стоят денег. Это все взаимосвязано: не будет технологий — не будет возможности делать науку. А без науки не могут развиваться технологии.

— Давайте от проблем вернемся к науке. Мне стало интересно: вы сказали, что некоторые ученые занимаются непонятными надуманными проблемами. Я вас приглашал на необычный формат — «Кино с доцентом» — просмотр и обсуждение фильма «Человек-паук». А вы ответили, что не любите фантастику. Как это согласовывается с вашей научной деятельностью?

— Это как раз очень согласовывается. Я не люблю задачи, которые оторваны от реальности. В этом же фильме «Человек-паук» есть очень много вещей, которые абсолютно реально делать. Ползать по стене — абсолютно реально. Мы знаем, какие там силы работают, какие материалы для этого используются. А почему я не люблю фантастику — там очень много вещей, которые просто противоречат науке.

— А вам не кажется, что обществу нужно в разных формах пытаться донести научную картину мира?

— То, что я не люблю science fiction, — это моя беда (смеется). Я уважаю всех людей, которые ее любят. Но я действительно ее никогда не любил. Потому что меня раздражали антинаучные аспекты. Насчет того, что крайне важно отношение общества к науке, это безусловно. Как-то известного советского академика спросили, что такое наука. Он ответил: это возможность удовлетворять свое любопытство за счет налогоплательщиков. Это, конечно, здорово. То, что мы делаем, — лучшей работы не существует. Найти что-то новое — что может быть более интересным? Я благодарю Бога за то, что у меня появилась возможность заниматься таким замечательным делом. Но при этом не надо забывать время от времени, что платят-то тебе налогоплательщики. И какими бы твои идеи и работы ни были фантастическими, ты в конце концов должен что-то сделать реальное, вернуть долг. Поэтому я своим сотрудникам всегда говорю: «Если вы не хотите быть лучше меня, то ищите себе другую лабораторию. Ваши диссертации обязательно должны войти в учебники». Я хочу, чтобы они ставили большие задачи, но при этом задачи, имеющие отношение к реальной жизни. Конечно, это здорово — мечтать, фантазировать, но при этом ты всегда должен помнить, что из этого должно получиться что-то новое и реальное.

— Давайте тогда фантазировать на основе науки и физики метаматериалов. Что нас ждет через десять лет? Или это слишком маленький срок для того, чтобы говорить о чем-то прорывном?

— С моей точки зрения, наука не развивается постепенным образом. Как, наверное, и все в истории происходит. Накапливается-накапливается, потом происходит революция. Таких технологических революций можно вспомнить несколько. Одна из относительно недавних революций — это, конечно, транзисторы. Появилась вся электроника, появились компьютеры. Следующая технологическая революция — лазеры. Появилась оптоволоконная связь. Это полностью изменило мир. Следующей, я надеюсь, будет квантовая технологическая революция. Вещи, которые изменят нашу жизнь, — квантовая информатика, квантовые компьютеры. Это будет совершенно революционно.

— Насколько мы близки сейчас к этому?

— Те цифры, которые вы назвали, — это правильные масштабы.

— А что изменится принципиально, компьютеры станут более быстрыми и маленькими?

— На самом деле проблема, которая движет весь этот прогресс, она, как ни странно, сводится к очень банальной вещи: мы хотим более быстро обрабатывать информацию. Электронные интегральные схемы позволили обрабатывать информацию очень быстро. Но принципиально, что бы мы с электроникой ни делали, никогда не будет возможно обрабатывать информацию быстрее, чем 1011 операций в секунду. И это связано в конечном итоге с тем, что электрон имеет массу. Ты «даешь информацию» электрону, и его скорость не может быть больше так называемой скорости Ферми. А фотоны «пакуют» информацию в частички с максимально возможной скоростью, со скоростью света. Поэтому сейчас очень большой акцент делается на нанофотонику. Фактически нужно заменить электронику на фотонику. Это ускорит наши компьютеры, но кажется, что мы все равно ограничены частотой света. 1011 будет заменено на 1015. А что дальше? Оказывается, что если использовать квантовые свойства, которые отсутствуют в классическом мире, то можно параллельно проводить очень много операций. В принципе в этом случае нет предела скорости.

— А у нас в обычном мире есть задачи на такие скорости? Или они появятся, как только будет возможность?

— Это хороший вопрос. Точно такой вопрос возникал, когда появился лазер. Это называлось «решение, которое ищет свою проблему». То есть решение есть — проблемы нет. А сейчас просто нельзя представить жизнь без лазера. Когда появились первые компьютеры, то же самое говорили: зачем они нужны? Но я дам один ответ: чисто квантовые задачи на классическом компьютере не решишь. Для того чтобы их решать, нужен квантовый компьютер. Базы данных сейчас немыслимо огромные — их тоже нужно быстро обрабатывать.

— Вы часто приезжаете в Красноярск. Какие-то научные контакты сохраняются?

— Конечно, я поддерживаю рабочие отношения со своей бывшей лабораторией когерентной оптики. Её создал профессор Александр Попов, он мой учитель. Когда я собрался ехать в этот раз, мне моя жена сказала: «Ты совсем с ума сошел!» — прямо перед отъездом у меня возникла какая-то проблема с ногой. В самолет меня еще грузили, но здесь местные доктора сделали мне «магический» укол — и я отбросил костыли и пошел. Действительно, должна быть какая-то серьезная причина, почему меня всегда так тянет сюда, в Красноярск. Я здесь вырос и чувствую себя привязанным к этому институту. Когда я вхожу в приемную и вижу портреты бывших директоров института, у меня щемит сердце. Я по-прежнему публикую статьи с некоторыми сотрудниками моей бывшей лаборатории, всегда с ними встречаюсь, во время каждого визита в Красноярск провожу открытый семинар. Когда-то Александр Кузьмич Попов, мой учитель, поставил мне задачу и помог стать тем, кем я стал. А потом я ему сказал, что нелинейная оптика метаматериалов фактически отсутствует. И он сделал пионерские работы в этой области, будучи уже зрелым ученым, и я рад, что у меня была такая возможность — вернуть то, что я получил от своего учителя.

— Не пытаетесь получать совместные гранты на проекты с российскими учеными?

— Честно признаться, у меня просто на это нет времени. Я научился, хотя мне было и очень тяжело, говорить «нет». Обычно я все расписываю на год вперед. И все время должен решать, что важнее. Я всегда особую часть своей души отдаю лаборатории института. Совместный грант — это значит, что придется общаться с российской бюрократией, вникать в бюджетные нюансы. Я на это не пойду. Я приезжаю в Россию, коллеги приезжают ко мне в Америку — этого достаточно. Меня много раз просили пойти на совместный грант, но у меня нет на это времени. Я пытаюсь то время, которое у меня еще есть впереди, использовать продуктивно.

— На самом деле это интересный и важный момент. То есть главный тормоз в этом направлении — опасность столкнуться с бюрократией?

— Я просто не хочу свое время тратить непродуктивно. Если я буду вынужден вникать в какие-то там бюрократические бумаги и постоянно этим заниматься… Я знаю, как это делается в Америке, — все делается эффективно и четко. А поскольку я рецензирую многие проекты в России, то вижу количество бумаг, которые там пишутся.

— Сколько научных статей ваша научная группа публикует в год?

— 15−20. Дело даже не в том, сколько. Важно, чтобы это были топ-журналы. По плану любая работа из моей группы задумывается быть достойной Science или Nature. Конечно, не все они туда попадают, но замысел такой: все, что мы делаем, должно быть фундаментально новым.

— Если бы вы сейчас были аспирантом, чем бы вы занялись?

— Я бы занялся тем, чем я стал заниматься сейчас, — квантовой фотоникой. Я бы всегда занимался тем, что реально сделать и что может привести к технологической революции. 15 лет назад я начал заниматься метаматериалами, потому что это была передовая область. Если бы я жил в 50-х годах [прошлого века], я бы занимался транзисторами, электроникой. Заниматься нужно тем, что действительно может изменить жизнь.

Интервью взято в сотрудничестве с телекомпанией «Центр-Красноярск». Спасибо Сергею Чурилову, специалисту группы научных коммуникаций Красноярского научного центра СО РАН, за помощь в расшифровке интервью.

Егор Задереев
Теги:

Читать еще на Чердаке: