Что общего у смартфона, космического телескопа и стеклопакета?

Некоторые приборы стали для человечества обыденностью. Мы смотрим на экраны дисплеев, телевизоров, ноутбуков и смартфонов, и даже не догадываемся, насколько сложными могут быть технологии их создания. Речь идет об очень тонких покрытиях, которые недоступны человеческому глазу. Но с каждым новым слоем они формируют высококачественные поверхности, без которых сегодня не обходится ни один экран, микросхема и даже банкнота. О технологиях создания тонких пленок и математическом моделировании наша беседа с Александром Владимировичем Тихонравовым — научным руководителем Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ.

— Над чем вы работаете в НИВЦ МГУ?

— Основное направление связано с математическими и физическими проблемами оптики тонких пленок. Тонкопленочные оптические покрытия окружают нас повсюду. Простой пример — смартфоны, которые мы используем каждый день. Между тем это направление появилось задолго до появления смартфонов — в середине 30-х годов ХХ века.

Известно, что поверхность обычного стекла отражает примерно 4,5% падающего света. Две стороны такой поверхности отражают уже 9%. Представьте фотоаппарат, в котором не одно, а сразу несколько стекол. Эти стекла имеют более высокий показатель преломления и, соответственно, еще более высокую степень отражения. Если учесть эти характеристики, станет ясно, что потери света даже на уровне простого объектива — колоссальные. Научное сообщество столкнулось с вызовом —так называемой задачей просветления оптики.

— Как ее удалось решить?

— Первое, что было придумано — нанести тонкий слой на поверхность стекла, чтобы уменьшить отражение. Такую поверхность назвали однослойным просветляющим покрытием. Первыми это сделали немецкие специалисты как раз в 30-х годах.

Следующий большой скачок в развитии таких покрытий произошел в процессе разработки лазеров. Лазеры нуждаются в качественных зеркалах. Но оказывается, что привычные для нас зеркала с серебряным или алюминиевым покрытием плохо отражают свет. В случае применения зеркал в лазерных технологиях, необходим коэффициент отражения 99,9% и более. Это может быть обеспеченo только с помощью многослойных оптических покрытий — множества тонких пленок из разных материалов, последовательно наносимых на поверхности. За счет этого можно создать фантастические зеркала, которые могут отражать до 99, 9995% падающего света. Такие зеркала применяются для лазерных гироскопов, без которых не летает ни одна ракета.

Сегодня подобные покрытия применяются повсюду. Взять хотя бы стеклопакеты, которые устанавливают в современных домах и квартирах — дуплексы или триплексы. Эти стеклопакеты также содержат сложныe покрытия. Многослойные покрытия обеспечивают селективное прохождение теплового и светового излучения. Поэтому летом они не дают жаре проникнуть в помещение, а зимой не позволяют терять тепло.

Другой пример — защита банкнот. Переливающаяся краска, нанесенная во избежание подделок, также создается на основе многослойных оптических покрытий.

Цифровые камеры в наших смартфонах тоже созданы с применением тонких пленок. Свет в таких камерах преобразуется в несколько цветовых каналов для передачи цвета: например, голубой, желтый и красный. Для этого нужны оптические фильтры, которые состоят из десятков тонких слоев. Получается, что каждый из нас ежедневно взаимодействует с огромным количеством многослойных покрытий.

— Расскажите о более высокотехнологичных сферах применения.

— Первая сфера, конечно, микроэлектроника. Для производства микрочипов нужна специальная, очень «хитрая» оптика, которая тоже содержит многослойные покрытия, обеспечивающие фокусировку на микроуровне для создания микросхем.

Другой пример — космическая астрономия. Некоторые современные телескопы работают в рентгеновском диапазоне. Специфика рентгеновского излучения в том, что оно просвечивает всё насквозь. А приёмнику нужно как-то это излучение улавливать. Специальные многослойные покрытия, на которые излучение падает под косым углом, фокусируют рентгеновское излучение на приемник. Благодаря такoй оптике рентгеновские телескопы позволяют ученым видеть самые дальние объекты во Вселенной.

И, конечно, широкое применение такие покрытия получили в медицине, особенно в области создания диагностического оборудования.

— Для чего в этой сфере необходимы вычислительные системы?

— Все описанные сферы применения требуют решения математических и физических задач. У нас есть, собственно, покрытия и свет. Для создания качественных покрытий необходимо строить математические модели. Но вопрос в том — как их описать? С помощью каких параметров?

Возьмем покрытие, состоящее из 50 слоев. У каждого слоя своя толщина, измеряемая, как правило, в нанометрах. Допустим, толщина первого слоя 20 нанометров. А следующего за ним — 50 нанометров. При этом каждый слой может быть сделан из разных материалов, каждый из которых обладает своим показателем преломления.

Перед нами, прежде, всего физическая задача — построить модель покрытия, в которой мы будем учитывать разные параметры каждого слоя. Но чтобы это сделать, необходимо понимать физические процессы. Но в основе проектирования многослойных оптических покрытий лежит именно математика.

Если нам известен набор параметров слоев покрытия, то расчет прохождения через него света — довольно простая задача. Исходя из уравнений Максвелла, можно построить математический алгоритм, с помощью которого легко рассчитываются характеристики покрытия: какой процент света оно будет пропускать, а какую часть света отражать.

Но задачи проектирования покрытий гораздо сложнее. Скажем, нам необходимо создать фильтр для камеры смартфона. При этом требуется, чтобы в видимой части спектра от 400 до 560 нанометров свет не проходил, а с 580 нанометров до 700 нанометров, наоборот, проходил. Как нам найти параметры этих слоев, их толщины, их показатели преломления, чтобы получить желаемую спектральную характеристику? Такая задача называется обратной.

В 60-е годы прошлого века великий русский математик, мой учитель Андрей Николаевич Тихонов заложил основы теории некорректных обратных задач. Эта теория сейчас широко применяется во многих областях, в том числе в физике и сфере вычислительных технологий.

Во многом эти задачи связаны также и с оптимизацией. Параметров  оптимизации может быть огромное количество: от многих десятков до нескольких сотен. Именно они определяют так называемую функцию качества — показатель того, насколько близко мы подошли к желаемому, насколько хорошо мы воспроизводим сформулированные требования, спектральные характеристики. Эту функцию качества необходимо оптимизировать. Это нелегко, ведь она оказывается сильно «изрезанной» с огромным количеством локальных минимумов. Эдакие каньоны и овраги. При этом найти нужный минимум очень сложно. Чтобы успешно решать подобные задачи, нами был предложен новый метод, основанный на физических идеях. Он применяется во всем мире уже более 30 лет.

— Как производятся эти покрытия?

— Технологии нанесения многослойных покрытий по-настоящему фантастические. Например, покрытия для стекол, которые применяются при строительстве современных зданий, наносят на специальных конвейерных установках в вакууме. А большинство сложных покрытий для лазерной физики, медицины и космоса производятся в специальных вакуумных напылительных камерах. Одна такая камера — настоящий мини-завод, стоимость которого превышает миллионы долларов.

— В основе современной вычислительной техники лежит универсальный язык — математика. Меняется ли математика со временем и есть ли в ней место новым открытиям?

— В нашей сфере много традиционной математики. Эта та математика, которая применялась в ХХ веке. Между тем, для задач оптимизации нам действительно приходится изобретать новые методы решения.

— Как вы работаете в новых условиях самоизоляции?

— В целом мы справились с переходом в онлайн. Специалисты НИВЦ пишут статьи, обрабатывают необходимые данные. Студенты всегда находятся на связи и продолжают активно работать.

Для теоретиков новые условия не так страшны. Сложнее в этом плане, экспериментаторам или технологам, которые непосредственно работают с техникой.

Конечно, работа над некоторыми прикладными проектами остановилась. А что касается, теоретической и исследовательской — то они идут полным ходом!

Источник изображения на превью: 123RF