Проникнуть в тайны нано- и микромира не менее сложно, важно и интересно, чем добраться до далеких галактик и узнать, как формировалась Вселенная. Отдельные молекулы, атомы и кванты — тоже неведомый и сложно устроенный мир. Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Андрей Витальевич Наумов, руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН им. П.Н. Лебедева, заведующий отделом спектроскопии конденсированных сред Института спектроскопии РАН, заведующий кафедрой теоретической физики им. Э.В. Шпольского Московского педагогического государственного университета.
— Андрей Витальевич, что это за научная область — спектроскопия одиночных молекул? Для чего она нужна?
— Основное направление работы, которую ведет наша группа, связано с оптической спектроскопией и микроскопией одиночных квантовых излучателей. Так сложилось, что это направление стало бурно развиваться на рубеже 1980–1990-х гг., когда коллегам удалось зарегистрировать свечение одной-единственной органической молекулы в твердой прозрачной среде.
Когда говорят о молекулах, сразу вспоминают либо молекулы воды H2O, либо молекулы соли NaCl. Мы же будем говорить о больших органических молекулах, которые могут состоять из нескольких бензольных колец, протяженных молекулах размером вплоть до нескольких нанометров. Возможность детектирования свечения таких молекул оказалась чрезвычайно востребована сразу во многих направлениях науки.
Но прежде чем перейти к одиночным квантовым излучателям, к одиночным молекулам, нужно сказать несколько слов о спектроскопии. Спектроскопия — это наука о взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Или, когда мы обсуждаем корпускулярную природу света, то мы говорим о взаимодействии фотонов с веществом. Это взаимодействие можно рассматривать на уровне объемного вещества (кристаллы, жидкости, газы), а можно и на уровне единичной молекулы, что чрезвычайно важно для понимания фундаментальных основ того, как именно происходит это взаимодействие.
— Почему это крайне востребовано?
— Я люблю говорить, что спектроскопия — зрение современной науки. Естественные науки (химия, биология, медицина, нанотехнологии, материаловедение, физика), используя спектроскопические методики, получают огромное количество информации о процессах, происходящих вокруг нас. Точно так же физиологи обычно говорят, что больше 80% всей информации об окружающем мире нам поступает через органы зрения и лишь 20% — через остальные органы чувств. Понятно почему. Например, если нам нужно изучать далекий космос, у нас нет ни одного другого способа кроме анализа излучения, которое приходит к нам в видимом ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах спектра. Интересны также и другие области — рентгеновский диапазон, радиоволны. Мы можем зарегистрировать это излучение и затем сказать, что на удалении миллион световых лет от нас находится какая-то звезда или галактика, которая таким образом светит. И, проанализировав это излучение, мы можем сказать, как появилось это образование, как оно изменялось, каким образом возникла Вселенная и как она развивалась в течение длительного времени.
С другой стороны, если нам нужно посмотреть, что происходит внутри малых объектов, например молекулы, или каким образом устроен атом, мы точно так же должны провести определенные наблюдения. Но у нас нет такого градусника или другого измерительного инструмента, чтобы заглянуть внутрь отдельного кирпичика, из которых сложен окружающий мир. Мы начинаем смотреть, как эти маленькие объекты взаимодействуют со светом, и по отклику можем судить о том, что происходит внутри них.
— Что это значит — по отклику?
— Мы можем изучать, как поглощается излучение, можем говорить о рассеянии, о процессах переизлучения, об отражении… Анализируя эти процессы, мы можем судить о том, что же происходит в материале. Это и есть спектроскопия.
— Иначе говоря, микромир мы можем изучать только путем воздействия на него света?
— Да. Хотя, конечно, говоря «оптическая спектроскопия», мы уходим в очень узкий видимый диапазон спектра, но реально нас интересуют все диапазоны — ультрафиолет, инфракрасный, рентген, гамма-излучение и т.д. Если идем в другую сторону, тоже очень популярны методики терагерцевые, микроволновые, радиоизлучение. В этих диапазонах можно изучать массу процессов, и это востребовано практически во всех направлениях науки. В частности, это необходимо интенсивно развивающимся наукам о жизни, чтобы посмотреть, как функционирует живая клетка, разработать новые методы диагностики, аналитические методики раннего обнаружения заболеваний или способы промышленного применения. Это методы диагностики экстремальных состояний вещества, каких-то горячих зон. Например, сейчас ведется работа по налаживанию управляемого термоядерного синтеза. Там есть ультрагорячая плазма. Каким образом измерить температуру в этом плазменном жгуте, ведь мы не можем поместить туда термометр?
Значит, нужно поставить рядом спектрометр и посмотреть, как эта плазма излучает, и, видя зависимость интенсивности излучения от длины волны, предсказать по спектральным линиям, что происходит в этой плазме, как мы ее разогреваем и удерживаем в пространстве.
— Каким образом вы предсказываете спектр?
— Есть две спектроскопические задачи — прямая и обратная. В одном случае мы можем предсказать спектр, зная, как вещество устроено на элементарном уровне. В другом случае, если мы измеряем спектр, нам нужно расшифровать его и рассказать, как устроено то или иное вещество. Отсюда так или иначе проистекают все фундаментальные исследования. В частности, спектроскопия отдельных частиц — молекул, из которых состоит материя.
— Вы регистрируете одиночные молекулы. Насколько это сложная задача?
— Задача непростая. Оказывается, увидеть и зарегистрировать их чрезвычайно трудно. Конечно же, есть методики, которые позволяют визуализировать одну-единственную молекулу и опуститься даже на уровень одиночных атомов. Методы электронной микроскопии позволяют рассмотреть, как в кристалле упакованы отдельные атомы. Сейчас есть очень важное направление — микроскопия с синхротронными источниками. Это отдельная область, которая тоже связана со спектроскопией.
Но в нашем случае задачей было увидеть одну молекулу более или менее простыми оптическими способами. Даже не саму молекулу рассмотреть, а то, как она излучает свет. Эта история довольно давно началась с того, что сразу несколько научных школ во всем мире стали исследовать явление люминесценции — излучение света, избыточное над тепловым. Советская научная школа в этом преуспела, и наша отечественная наука в этом плане продолжает оставаться одной из ведущих в мире.
— Кто основал эту школу?
— Это научная школа президента Академии наук СССР С.И. Вавилова, на тот момент директора Физического института им. П.Н. Лебедева. И одно из самых больших подразделений в ФИАН в те времена как раз и занималось исследованием эффекта люминесценции. Ее иногда называют «холодным светом», чтобы отличить от теплового излучения. Хорошо известно, например, что наше Солнце светит в достаточно широком диапазоне спектра, потому что оно разогрето за счет происходящих там термоядерных реакций, мы видим так называемое тепловое излучение. В связи с тем, что температура материала очень высокая, атомы переходят в возбужденное состояние и, переходя обратно, излучают фотоны с разными энергиями, на разных длинах волн. Но, оказывается, материал можно заставить светиться в видимом диапазоне спектра и при обычной, например комнатной, температуре.
— Каким образом?
— Для этого нужно подвести к материалу дополнительную энергию. Сделать это можно по-разному. Например, освещая этот материал с помощью дополнительного источника света — лампочки или лазера. И тогда у нас материал может начать светиться дополнительно к тому тепловому излучению, которое соответствует температуре материала. Это явление называют фотолюминесценцией. Если мы подводим энергию, помещая материал в электрическое поле, мы будем наблюдать электролюминесценцию.
Есть более экзотические виды люминесценции — например, биолюминесценция. Но мы сейчас на них останавливаться не будем. Нас интересует фотолюминесценция. Оказывается, освещая тот или иной материал с помощью специально подобранных источников излучения, мы можем регистрировать люминесценцию. Но расшифровать по зарегистрированным спектрам структуру и динамику сложных органических молекул оказалось чрезвычайно сложно. Спектры долгое время получались бесструктурными.
— Но, насколько я знаю, этот барьер однажды был преодолен?
— В начале 1950-х гг. в лаборатории Э.В. Шпольского на кафедре теоретической физики МГПИ им. В.И. Ленина было показано: если такие молекулы красителей заморозить в специально подобранных растворах (их стали называть матрицами Шпольского, а сам эффект — эффектом Шпольского), то эти широкие бесструктурные спектры можно чрезвычайно сузить, получить квазилинейчатые спектры и начать их расшифровывать примерно так же, как это происходило с атомными спектрами. К тому времени атомная спектроскопия уже была очень хорошо развита, люди научились расшифровывать энергетическую структуру уровней, наблюдая спектры излучения и поглощения атомов. Так в этих квазилинейчатых спектрах оказалось возможным наблюдать структуру уровней молекул.
В схеме уровней энергии молекул можно выделить несколько степеней свободы. Во-первых, это электронные уровни, определяющиеся энергией электронов в молекуле. Во-вторых, можно наблюдать колебательные уровни. Когда молекула состоит из нескольких атомов, у них есть возможность двигаться относительно друг друга — в молекуле есть внутренние колебания. И энергия этих колебаний будет определять уровни колебательных состояний в молекуле.
Но при этом есть еще взаимодействие с окружающим материалом, в случае твердого тела мы говорим о взаимодействии с матрицей. Каждая молекула находится в слегка отличающихся условиях, и у каждой молекулы немного разные энергии электронных уровней. В итоге, когда мы следим за большим ансамблем примесных молекул, получаем широкий бесструктурный спектр. Оказалось, что в матрицах Шпольского молекулы внедряются более или менее одинаковым образом и, более того, можно возбуждать чисто электронно-колебательные переходы без участия фононов — коллективных колебаний атомов матрицы.
Этим переходам соответствуют узкие линии, которые получили название бесфононных спектральных линий. При этом зарегистрировать их можно селективно, то есть наблюдать свечение не от всего огромного количества молекул, а только малого ансамбля с близкими частотами переходов.
Ученик Э.В. Шпольского Р.И. Персонов, который, окончив МГПИ им. В.И. Ленина и защитив там кандидатскую диссертацию, в конце 1960-х гг. пришел во вновь создаваемый Институт спектроскопии АН СССР в Троицке, возглавил там лабораторию электронных спектров молекул, которая продолжила этим заниматься.
— А вы его ученик?
— Да, он был научным консультантом моей кандидатской диссертации и руководителем лаборатории, в которой выполнялась работа. Если вспомнить историю физики, в 1960-е гг. было еще одно знаковое событие, связанное с советскими научными школами: лазерные источники света. Лазеры, которые впервые были разработаны, продуманы, изготовлены в Физическом институте им. П.Н. Лебедева.
Монохроматические источники света стали использовать в Институте спектроскопии РАН, в лаборатории Р.И. Персонова для того, чтобы возбуждать свечение тех самых органических молекул в твердых матрицах. Оказалось, что в макроскопическом объеме, где находятся многие миллиарды молекул, каждая из которых пребывает немножко в разных условиях, можно с помощью монохроматического источника света селективно возбудить только очень узкий ансамбль молекул, частоты переходов которых фактически находятся в резонансе с частотой возбуждающего лазера. То есть в пространстве селективно выбираются только определенные молекулы. Это можно сравнить с хором, когда люди поют на разных частотах, а мы выбираем только тех людей, которые поют в унисон.
— Как интересно.
— Итак, мы получаем отклик только от ансамбля молекул, резонансных с лазерным источником света. Оказалось, что при низких температурах это можно делать практически в любом материале, не только в матрицах Шпольского, но и, например, в полимерах. С этого момента, а это был 1972 г., эффект, который наблюдала группа Р.И. Персонова, получил название laer fluorescence line narrowing «лазерное сужение линий люминесценции» (laer fluorescence line narrowing). В иностранной литературе его иногда называют эффектом Персонова.
А спустя короткий промежуток времени удалось реализовать и обратную технику: не только наблюдать узкие линии в спектре излучения, но еще и «выжечь» узкий провал — «дырку» в спектре поглощения, соответствующий только определенным резонансным молекулам. Направление получило название «спектроскопия выжигания провалов» (hole burning spectroscopy). Эти два метода дали старт популярному научному направлению селективной лазерной спектроскопии органических молекул в твердых матрицах. Коллектив Р.И. Персонова был отмечен Государственной премией СССР, а во всем мире бурно начали развиваться лаборатории, использующие этот метод для изучения сложных органических молекул оптическими методами.
— Но на этом развитие данных методов не остановилось?
— Оно продолжилось. Теоретически расчеты показывали, что даже одна молекула будет излучать довольно большое количество фотонов, достаточное для того, чтобы их можно было зарегистрировать с помощью имевшихся в те времена детекторов — фотоэлектронных умножителей. В этой научной гонке участвовали несколько групп, и первыми зарегистрировали спектр поглощения молекулы пентацена в прозрачном кристалле паратерфенила американский ученый Уильям Мернер с его сотрудником Лотаром Кадором, работавшие в то время в IBM. А буквально через месяц-другой коллеги из Франции (группа Мишеля Оррита) зарегистрировали люминесценцию одиночной молекулы и убедительно доказали, что это действительно свечение одной молекулы. Следом в данную область пришли сотни лабораторий во всем мире.
Попутно выяснилось, что свечение этой одиночной молекулы, оказывается, чрезвычайно чувствительно к параметрам локального окружения на уровне нескольких нанометров. И мы фактически в прозрачном материале можем посадить метку — люминесцентный зонд, который будет передавать информацию о том, что же происходит в его локальной окрестности, в виде электромагнитного излучения — люминесценции.
— Такой наношпион?
— Да, который находится внутри материала и передает нам в виде фотонов информацию о том, что происходит в его локальном нанометровом окружении. Всем сразу стало понятно, что это фактически единственный уникальный инструмент для того, чтобы исследовать не только структуру материала, но еще и динамику. Например, впервые удалось увидеть, что если рядом с одиночной молекулой происходит туннелирование частицы сквозь потенциальный барьер, то такой переход немедленно приведет к прыжку спектральной линии. Таким образом, у нас появилась возможность исследовать квантово-механическое явление, которое до этого изучалось теоретически, подтверждалось только косвенными экспериментальными данными.
Ученые стали активно использовать эти зондовые методики. Во второй половине 1990-х гг. к этому направлению подключилась и наша группа. Вместе с Р.И. Персоновым и моим непосредственным научным руководителем Ю.Г. Вайнером мы работали с научной группой Лотара Кадора на кафедре профессора Юргена Келера в Байройтском университете в Германии, где была построена специальная экспериментальная установка. Это были оригинальные, по ряду направлений пионерские работы по исследованию низкотемпературной динамики стекол и полимеров по спектрам одиночных примесных молекул, которые достаточно хорошо прозвучали и на международном уровне.
В тонкой пленке мы наблюдали за свечением отдельных молекул, анализировали временное поведение, а также зависимости спектров от температуры, от приложенных внешних полей. На основе этих экспериментов нам удалось прояснить природу движений отдельных атомов и молекул в сложных неупорядоченных твердотельных средах — полимерах, замороженных жидкостях, стеклах, молекулярных кристаллах.
— Почему это важно изучать?
— Потому что характеристики вещества зависят не только от структуры, то есть от того, как атомы «упакованы» в материале. Дело в том, что многие функциональные характеристики определяются еще и тем, как атомы и молекулы двигаются. А методов для изучения этих движений на микроскопическом уровне не так много. В нашем методе в качестве «сенсоров» внутренней динамики выступают отдельные люминесцирующие молекулы, что и позволяет изучать, в частности, полимерные среды.
Полимеры активно используются в самых разных областях человеческой жизни, и важно понимать, что собой представляет внутренняя динамика, каким образом двигаются полимерные цепи. А у нас появился инструмент, чтобы видеть это на уровне таких фрагментов нанометрового размера.
Дальше — больше. Для того чтобы получить информацию о макроскопическом объеме образца, нужно последить за многими молекулами-зондами, то есть взять фактически тот самый «хор» и каждому исполнителю поднести микрофон, послушать, что он исполняет.
— И выбрать только тех, которые нам нравятся?
— Да, а дальше мы можем сказать, что происходит с макроскопическим объектом в целом. К середине 2000-х гг. появились такие инструменты — многоканальные детекторы, использующие приборы с зарядовой связью, ПЗС-камеры. Эти камеры к тому времени уже научились делать настолько чувствительными и эффективными, чтобы можно было зарегистрировать свечение одной-единственной молекулы. И мы уже не просто регистрируем свечение одной молекулы, а получаем ее люминесцентное изображение в оптическом люминесцентном микроскопе.
И вот тут получился замечательный фокус, состоящий в том, что обычный микроскоп и его разрешение ограничены так называемым дифракционным пределом Аббе. В обычный микроскоп мы с вами сможем рассмотреть луковую клетку, как это делается в школе, но, например, для того чтобы посмотреть на отдельные части этой клетки, на ядро, на то, что происходит внутри ядра, или на синапсы в головном мозге, пространственного разрешения оптического микроскопа не хватит.
Когда мы смотрим на свечение одной-единственной молекулы, мы можем решить компьютерную задачу восстановления пространственных координат на основе математической задачки о дифракции на оптических элементах микроскопа. Поскольку размер излучателя — молекулы в сотни раз меньше длины волны, при решении обратной задачи точность восстановления координат будет уже определяться только стабильностью самого микроскопа и общим количеством собранных фотонов.
Это примерно то же самое, как когда вы летите на самолете, видите фонари, которые светятся в ночном городе, и если они светят все разом, вы видите большое светящееся пятно. А теперь представьте, что каждый фонарь вы зарегистрировали отдельно. Вы видите на своем фотоаппарате одно пятнышко, можете определить его центр с очень высокой точностью и получить вместо большого пятна набор точек. Когда вы прорисуете на компьютере эти точки, вы обнаружите, что зарегистрировали шоссе, улицы, дворы. Вы как бы помечаете этими зондами всю структуру образца.
— Этот метод сейчас используется?
— Да, эта история привела к появлению направления флуоресцентной наноскопии, то есть микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения. Мы подключились к этой тематике примерно в те времена, когда развернулись основные баталии научных коллективов, отдельные из которых затем получили Нобелевские премии.
Во второй половине 2000-х гг. мы с нашим молодым ученым А.А. Горшелевым сделали аналогичную вещь, но уже не для биологических объектов при комнатной температуре, а все в тех же самых неупорядоченных твердых средах при криогенной температуре. Эта работа стала пионерской, и не так много групп в мире смогли ее воспроизвести.
— Это то, за что вы скоро получите Нобелевскую премию?
— Я бы так далеко не забегал, эта область очень динамично развивается, налицо серьезная конкуренция. Но в каком-то смысле мы решили старинную задачу астрономов, которые хотели пересчитать все звезды на небе. Очень похожая, кстати, задача. Более того, методы распознавания изображений в современной астрофизике и в нашей микроскопии одиночных молекул одинаковы.
Сейчас ведутся примечательные работы с помощью нашего телескопа «Спектр-РГ». Там стоит задача распознавания изображений. Им приходится распознавать изображение точно так же, только они следят за звездами, а мы — за одиночными молекулами и пересчитываем все молекулы, которые попали в поле зрения.
— И сколько же насчитали молекул?
— В нашей работе 2009 г. в тонкой пленке образца с размерами 50 × 50 мкм мы зарегистрировали порядка 300 тыс. эффективно светящихся молекул. Мы их все по очереди зарегистрировали, нашли пространственные координаты, построили карту распределений и таким образом смогли сделать микроскопию сверхвысокого пространственного разрешения с помощью молекул-зондов. Мы визуализировали трещины с разрешением, которое уже не ограничено дифракционным пределом. Это разрешение составило порядка нескольких нанометров.
Но что очень важно, и это нас отличало от всех остальных групп, мы не просто зарегистрировали координату, но для каждой молекулы измерили спектр. И, таким образом, у нас получилась не просто микроскопия или наноскопия, а многопараметрическая наноскопия. Для каждой молекулы, для каждого зонда мы еще зарегистрировали спектр — и микроскопия стала многоцветовой. Это дало фантастические результаты. У нас появился инструмент зондирования материальных характеристик со сверхвысоким пространственным разрешением.
— Интересно, а что сложнее — познавать тайны макромира или микромира, как вам кажется?
— Я думаю, и тут и там есть свои сложности и очень много интересных вещей. Но при этом очень много общего.
— Обывателю понятно, что астрономы рассматривают звезды, стараются увидеть как можно дальше и узнать как можно больше. Но мало кому приходит в голову, что есть ученые, которые занимаются в чем-то сходными задачами, но на микроуровне, и это не менее занимательно, не менее сложно и не менее важно.
— Да, это так. Например, знаменитый астроном Уильям Хершель изучал Вселенную следующим образом: он зарисовывал положение звезд, которые видит на небе, построил карту распределения звезд — и это была одна из первых моделей возникновения нашей Вселенной. А С.И. Вавилов в 1920-е гг. в своей знаменитой книге о природе света «Глаз и Солнце» писал, что квантовая теория не сможет получить своего экспериментального подтверждения до того момента, пока мы не сможем сказать, какое количество частиц светит в данный момент времени. Квантовую теорию мы сможем подтвердить только в тот момент времени, когда будем знать, сколько молекул светит. Так вот сейчас мы научились это делать.
Если вернуться к многоцветовой флуоресцентной наноскопии, то это направление сейчас развивает наша научная группа. Наш большой коллектив сейчас распределен сразу между многими организациями — это Институт спектроскопии РАН, Московский педагогический государственный университет, Физический институт им. П.Н. Лебедева. Вместе мы пытаемся получать разную информацию. Одно из направлений нам подсказали коллеги из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.
С.П. Феофилов (к сожалению, недавно ушедший от нас), очень известный ученый, в 1990-е гг. показал, что параметры люминесценции таких зондовых молекул зависят от материальных характеристик среды. Время жизни возбужденного состояния зависит, в частности, от диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости, показателя преломления этой среды. Это скорость, с которой у нас фотоны люминесценции высвечиваются зондовыми молекулами.
Мы попытались реализовать эту идею уже на уровне одиночных излучателей. Серьезный теоретический задел в этом направлении был сделан нашим сотрудником, теоретиком М.Г. Гладушем. Нам удалось связать спектральные свойства молекул-зондов с материальными характеристиками среды. Мы смогли картировать значение показателя преломления в тонкой пленке в разных участках этого образца.
— Какие результаты удалось получить?
— Мы получили довольно интересные результаты, которые показали, что материальные характеристики, в частности диэлектрическая проницаемость среды, могут очень сильно флуктуировать в разных точках нашего образца, который макроскопически может быть однороден. Таким образом, мы предлагаем новую инструментальную методику для нанотехнологов. Этот инструмент позволяет смотреть на субмикрометровом уровне, как устроены сложные материалы — не только полимеры и стекла, но и разнообразные нанокомпозиты, многослойные покрытия, гибридные материалы.
— А что за квантовые точки, которыми вы тоже занимаетесь?
— Оказывается, есть объекты, очень похожие на молекулы, которые тоже люминесцируют, но имеют совершенно другую химическую природу. В частности, так называемые полупроводниковые квантовые точки — направление, в котором наши коллеги, советские и российские ученые, тоже преуспели. Если мы берем полупроводник, начинаем уменьшать его и доходим до размеров, где начинают проявляться так называемые квантово-размерные эффекты, у нас появляется структура уровней нанокристаллов, очень похожая на структуру уровней отдельных атомов. Только в этом случае эти уровни будут соответствовать энергии квазичастиц — экситонов, электронно-дырочных пар, сильно связанных между собой.
Таким образом, каждый такой нанокристалл — квантовая точка — способен играть роль одиночного квантового излучателя, или люминесцентного зонда, который может быть использован для зондирования материалов. При этом физика самой квантовой точки оказывается тоже очень интересной, потому что в таком случае там будут упакованы тысячи атомов.
— Например?
— Например, классический материал, из которого удалось создать квантовую точку, — это селенид кадмия, довольно известный полупроводник. Тысячи таких атомов упакованы в сферическую квантовую точку, и они там тоже двигаются.
— А еще меньше что-то есть?
— Казалось бы, меньше точки нет ничего, но выяснилось, что внутренняя динамика такого объекта, полупроводникового нанокристалла, очень богата. Оказалось, например, что такой квантовый излучатель почему-то периодически из светящегося состояния вдруг проваливается в безызлучательное. Появляется такая телеграфная функция — он то светит, то не светит случайным образом. То есть наш фонарик стохастически случайным образом прыгает между светящимся и безызлучательным состояниями.
— А почему, неизвестно?
— Американские коллеги, но выходцы из советских научных школ А.Л. Эфрос и Мервин Розен предложили зарядовую модель, которая объясняет этот процесс прыжков. Но при этом не все эффекты могут быть достаточно хорошо и однозначно описаны с помощью этой модели. Эти исследования активно проводятся сейчас в лаборатории электронных спектров молекул ИСАН, тематика продвигается в новой лаборатории МПГУ, а для новых объектов, излучающих в том числе в инфракрасном диапазоне спектра, мы планируем развивать экспериментальные возможности Физического института в Троицке. Лидирующую роль в этих исследованиях и в целом в развитии тематики спектромикроскопии одиночных квантовых излучателей играет молодой ученый, без пяти минут доктор наук И.Ю. Еремчев.
На основе квантовых точек можно сделать много полезного. В отличие от органических молекул их можно синтезировать под заказ на заданную длину волны. Просто варьируя размеры излучающего ядра, мы фактически можем пробежать весь видимый диапазон от фиолетового до красного; энергию к этим излучателям можно подводить уже не только с помощью внешнего источника света, то есть получить не только фотолюминесценцию, но и электролюминесценцию.
— Получается?
— Да, мы получаем замечательные, яркие, с очень высоким квантовым выходом источники света. Вообще исследования различных композитов на основе квантовых точек очень эффективны при использовании комбинирования разных экспериментальных методов — электронной и атомно-силовой микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, время-разрешенной спектроскопии. Такие комплексные исследования у нас проводит кандидат физико-математических наук К.Р. Каримуллин, пришедший к нам из знаменитой Казанской научной школы фотонного эха профессора В.В. Самарцева.
— Обычно говорят, что это нужно для создания квантового компьютера?
— Да, ключевой элемент оптического квантового компьютера — источник неклассического света одиночных или перепутанных фотонов. Каждая квантовая точка становится идеальным источником неклассического света, гарантированно испускающим в каждый момент времени только один фотон. Если разработать более сложную структуру, можно создавать парные фотоны. Сейчас очень много говорят о квантовом компьютере, о квантовой криптографии, когда нам нужны так называемые перепутанные состояния, например бифотоны. Так на основе парных квантовых точек предполагается создавать источники подобных перепутанных состояний. А мы пытаемся в нашей лаборатории наблюдать за фундаментальной составляющей: что же происходит в процессе взаимодействия одной-единственной квантовой точки со светом, который мы на него посылаем, почему эта квантовая точка переходит в безызлучательное состояние, что меняется в параметрах излучения, если мы эту квантовую точку помещаем в материалы с разными свойствами? В России есть несколько лабораторий, которые этим занимаются, — в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Черноголовке.
— А что еще, кроме молекул и квантовых точек?
— У нас есть коллеги, которые умеют синтезировать химически другие центры окраски. В частности, в Институте физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН научились синтезировать алмазы с центрами окраски на основе кремния и на основе германия. Аналогичная группа есть в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН. В ИФВД РАН мы сотрудничаем с группой профессора Е.А. Екимова, который синтезирует микро- и нанокристаллы с германиевыми центрами окраски методом синтеза при высокой температуре и высокого давления. А в ИОФАН в группе профессора В.Г. Ральченко используют несколько другой метод синтеза — химическое осаждение из газовой фазы. Синтезированные таким образом вакансионные центры окраски на основе германия в алмазе чрезвычайно ярко светят, обладают очень высоким квантовым выходом люминесценции, гораздо более стабильны по сравнению с квантовыми точками и молекулами.
Более того, оказывается, коллеги способны синтезировать настолько хорошие объекты, что у нас отсутствует эффект мерцания, позволяющий переходить в безызлучательное состояние. В случае центров окраски в алмазе оказывается возможным создать такой идеальный квантовый излучатель, который не мерцает. И это хорошо для квантовой оптики и для других технологий.
— А биомедицинские приложения?
— Их очень много. Когда мы говорим о сложной органике или о квантовых точках на основе селенида кадмия, индия или ртути, то обычно медики относятся к этому очень осторожно, потому что это токсичные материалы. Неизвестно, как мы можем использовать, например, эти квантовые точки для задач медицинской диагностики.
А в случае, если мы изготавливаем алмазный нанокристалл, есть основания полагать, что это будет нетоксичный материал, и тогда каждая светящаяся алмазная наночастица может быть использована в качестве медицинского нанозонда, не причиняя вреда организму на уровне отдельных клеток, но при этом реализуя ту самую технику визуализации.
— А что за сверхъяркие вспышки люминесценции вы обнаружили?
— Буквально в последние два-три года одна из работ была связана с тем, что мы обнаружили в нано- и микрокристаллах с центрами окраски германиевого типа эффект сверхъярких вспышек люминесценции. Оказывается, если такой микрокристалл легировать центрами окраски с высокой концентрацией, то здесь мы уже уходим от свечения одиночных центров и говорим об ансамбле. Как показали наши теоретики во главе с М.Г. Гладушем, в таких условиях появляется эффект бистабильности, когда ансамбль таких излучателей начинает излучать кооперативно. Кооперативное свечение подобных ансамблей центров окраски может быть в десять, а то и в сто раз больше, чем обычное люминесцентное свечение.
То есть наш нанокристалл или микрокристалл начинает светить значительно ярче, нежели обычный нанокристалл. И такое свечение нам удалось зарегистрировать впервые в мире.
— Московский педагогический государственный университет, где вы учились и теперь работаете, мало известен широким массам в плане изучения физики. Все знают о физических факультетах МГУ, МФТИ, МИФИ, но от вас я узнала, что великолепные физические школы создавались и в МПГУ…
— На эту тему можно было бы записать десять интервью. История на самом деле удивительная. Вообще, исторически это были Московские высшие женские курсы, первое высшее учебное заведение в нашей стране, где было разрешено обучаться женщинам. На рубеже веков так сложилось, что многие профессора из Московского государственного университета перешли в Московский педагогический (в то время — Высшие женские курсы). И на территории университета сразу же сложились несколько известных научных групп. Например, очень известная химическая школа будущего академика Н.Д. Зелинского базировалась как раз в МГПИ. Если говорить о физике, то отцом-основателем этого направления стал Э.В. Шпольский, ученик П.П. Лазарева, который, в свою очередь, был учеником П.Н. Лебедева. Это мощнейшая научная школа. У П.П. Лазарева было два известных ученика — С.И. Вавилов и Э.В. Шпольский. С.И. Вавилов в ФИАН занимался люминесценцией, а Э.В. Шпольский разрабатывал направление, связанное с люминесцентной спектроскопией, в педагогическом институте. При этом ему удавалось привлекать туда очень известных ученых. Там работали академик Г.С. Ландсберг, будущий нобелевский лауреат И.Е. Тамм, много известных теоретиков и экспериментаторов.
Сам Э.В. Шпольский через короткое время после создания журнала «Успехи физических наук», который был основан П.П. Лазаревым, стал главным редактором и в течение нескольких десятилетий возглавлял наш ведущий физический журнал и фактически заложил его традиции. Сейчас это самый высокорейтинговый, самый заметный физический журнал в нашей стране.
Хорошую службу сослужила дружба Э.В. Шпольского с еще одним нобелевским лауреатом, П.Л. Капицей, который был главным специалистом в стране по низким температурам. Эта криогенная тематика в педагогическом университете активно развивалась, что привело к созданию такого направления, как селективная спектроскопия сложных органических соединений.
Это направление продолжили и вывели на международный признанный уровень последователи Э.В. Шпольского — Р.И. Персонов, О.Н. Коротаев, И.С. Осадько. В последние годы мы объединились еще с одной научной школой МПГУ, работающей в области физики полимеров и нанокомпозитов, — школой профессора Г.М. Бартенева, чьи традиции продолжает почетный профессор МПГУ И.В. Разумовская.
Среди молодых кандидатов наук, развивающих объединенное научное направление фотоники перспективных наноматериалов, — К.А. Магарян, С.А. Бедин; активно работают студенты и аспиранты МПГУ, МФТИ, МГУ, НИУ ВШЭ, Сколтеха.
На стыке нескольких направлений сейчас успешно развиваются методы ультрачувствительной SERS-сенсорики и аналитики на основе гиперусиленного комбинационного рассеяния света. Так, новые SERS-усиливающие метаповерхности, синтезируемые с помощью оригинальной методики нашими молодыми учеными, обещают стать основой оперативного спектрохимического анализа и идентификации на уровне отдельных молекул и нанообъектов.
Нужно сказать о втором физическом направлении, развивающемся в МГПУ, которое исторически связывают с именем профессора Е.М. Гершензона, чья научная школа успешно работала в области радиофизики. Впоследствии его ученик, профессор Г.Н. Гольцман, который сейчас возглавляет и кафедру, и лаборатории, работающие в этом направлении, смог значительно продвинуться в области нанотехнологий. Они сумели сначала заложить фундаментальные принципы, а затем и создать уникальные фотодетекторы на инфракрасную область спектра.
— В чем их уникальность?
— В том, что впервые в мире удалось перевести эти детекторы в режим счета одиночных фотонов в инфракрасном диапазоне спектра. Более того, им удалось превратить науку в инновации, то есть появилось предприятие, которое по определенным направлениям до сих пор занимает лидирующие позиции в мире. Достаточно вспомнить знаменитый международный космический телескоп «Гершель», основным элементом которого стал инфракрасный детектор, изготовленный коллективом МПГУ. Мы же надеемся применить эти детекторы к исследованию спектров одиночных квантовых ИК-излучателей различной природы и химического состава.
На базе МПГУ эффективно реализуют коллаборации с научными институтами. В моем случае это ИСАН, ФИАН, ФИЦ «Кристаллография и фотоника», а также химические институты и университеты. Например, очень перспективно сотрудничество с группой сотрудников выдающегося химика, академика Ю.Г. Горбуновой, которые синтезируют органические функциональные макромолекулы — молекулярные наномашины.
А если говорить об образовательных проектах, реализуемых в университете, то там работает уникальная образовательная программа «Фундаментальная физика на английском языке». Это единственный в стране бакалавриат, где ребята с самого начала обучаются на английском языке. МПГУ осуществляет методическую поддержку многих академических популяризационных проектов: лекции ведущих ученых в базовых школах РАН, курсы повышения квалификации учителей, викторины и олимпиады.
Так, в 2021 г. прошла V Троицкая школа повышения квалификации учителей физики и астрономии на базе академических институтов наукограда Троицка, а третья Всероссийская викторина юных физиков ОФН РАН собрала в мае 2022 г. более 2,5 тыс. участников из почти 200 городов и поселений РФ и из-за рубежа. Молодые ученые нашей группы под председательством аспиранта А.И. Аржанова сформировали ячейку Young Minds Европейского физического общества. Мы проводим ежегодную Международную молодежную научную школу «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» на базе Казанского научного центра РАН, Казанского федерального университета и Академии наук Республики Татарстан. В августе запланировано проведение Международного Феофиловского симпозиума по спектроскопии кристаллов, легированных ионами редкоземельных и переходных металлов.
— Как думаете, преподавание на английском сейчас по-прежнему актуально?
— Без сомнения. Как бы ни возводились различные санкционные барьеры между странами, наука всегда остается интернациональной по своей сути. Более того, именно наука становится мостом для общения и восстановления нормальных отношений.
Фотографии предоставлены Андреем Витальевичем Наумовым
