Традиционный новогодний семинар Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН собрал сибирских ученых, которые рассказали о ярких, запоминающихся, курьезных и даже опасных научных итогах уходящего года.
Пятиминутные сообщения касались достижений искусственного интеллекта, надежд на победу над вирусами, Нобелевских и Шнобелевских премий, нового состояния магнитных материалов, мадагаскарских тараканов-киборгов, успехов в плавании у мертвых рыб и других увлекательных работ.
«ИФП СО РАН в цифрах и фактах» представил директор института академик РАН Александр Васильевич Латышев. Он напомнил, что 2024 год для института — юбилейный. 60 лет назад произошло объединение Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники (ИФТТиПЭ СО АН), который возглавлял академик Анатолий Васильевич Ржанов, и Института радиофизики и электроники (ИРЭ СО АН), директором его был Юрий Борисович Румер. Тогда же академик Ржанов дал учреждению современное название «Институт физики полупроводников».
«К юбилею мы приурочили множество мероприятий: и праздничный конкурс научных работ института, и международную конференцию по актуальным проблемам физики и технологии полупроводниковых наноструктур, и торжественный ученый совет. В этом году в институте прошло две школы молодых ученых: “Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем”, “Физика и технология квантовых систем”, крупная конференция с международным участием “Физика ультрахолодных атомов”. В ИФП СО РАН продолжают работу молодежные лаборатории, часть из них совмещает исследовательскую деятельность и решение прикладных задач в интересах индустриальных партнеров».
Среди высокорейтинговых журналов, в которых вышли результаты ученых ИФП СО РАН в 2024 г., Александр Латышев перечислил Acta Materialia, Physical Review Letters, Applied Surface Science, Nanoscale, Journal of Alloys and Compounds, Surfaces and Interfaces, Surface & Coatings Technology, Ceramics International, подчеркнув обилие сложностей, связанных с процедурой опубликования из-за наличия санкций.
«Сотрудники ИФП СО РАН регулярно повышают квалификацию: в 2024 году диссертационный совет института провел три защиты на соискание степеней кандидата наук и одну — доктора. В числе руководителей проектов Российского научного фонда ― молодые ученые Д.А. Рогило, В.А. Тимофеев, Г.Ю. Сидоров. Стипендию Президента РФ получают Д.С. Милахин, Я.Е. Майдэбура, Кроме того, Д.С. Милахин в этом году получил премию имени К.К. Свиташева на конкурсе молодых ученых Сибирского отделения РАН», — добавил директор ИФП СО РАН.
«Я не мог представить, что подобное произойдет!»
Старший научный сотрудник лаборатории нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров поделился удивившими его научными результатами: «2024 год произвел на меня огромное впечатление: в плане научных достижений я не мог представить, что подобное произойдет!
Во-первых, группа в Калифорнийском университете продемонстрировала массив из 6000 ультрахолодных нейтральных атомов, причем их смогли не просто захватить и удержать, а еще управлять квантовыми состояниями всех отдельных атомов в течение очень длительного времени. На этой основе можно делать квантовые компьютеры большого масштаба. Есть ограничение: существующие сейчас схемы квантовых операций не рассчитаны на адресацию к отдельным атомам».
Илья добавил, что это ограничение можно обойти двумя способами – один предложен научной группой, в которой работает сам исследователь, второй — китайскими учеными.
Другой впечатляющий факт — появление компании Microsoft в числе участников, проводящих эксперименты с ультрахолодными атомами: «Появление такого серьезного игрока в нашей области должно серьезно изменить ландшафт», — пояснил Илья Бетеров.
Третье значимое событие, по мнению ученого, связано с демонстрацией лазерного возбуждения перехода в ядрах тория-229: «Переход искали несколько десятилетий. Это открывает возможность создания твердотельных стандартов частоты с точностью до уровня десять в минус девятнадцатой степени — большой шаг вперед к развитию компактных навигационных систем».
Капиллярные силы — всеобщее значение для цивилизации
О том, как простое физическое явление легло в основу привычного комфорта, рассказал заместитель директора Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН, заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Сергей Андреевич Дзюба:
«Жидкость между двумя пластинками создает силу притяжения между ними — работают так называемые капиллярные силы. Сила очень велика и может стремиться к бесконечности [при уменьшении расстояния между пластинами].
В этом году меня осенило — эффект имеет гораздо большее значение, причем для всей нашей цивилизации! Начнем с простого: все знают куличики из влажного песка, формирующиеся за счет этого эффекта. Воды должно быть немного — такое количество, чтобы включились капиллярные силы. А если в водо-песчаную смесь добавить цементный порошок, получается строительный материал, с помощью которого возводится большинство зданий.
Строительные растворы могут быть не только на основе цемента, но и известняка, гипса, растертой рисовой каши с примесью СаО (Великая китайская стена) и прочего.
Действующие между твердыми частицами в строительном растворе капиллярные силы придают необходимые для его технологического применения адгезивные и реологические свойства. Все каменные здания, в которых мы живем, были бы невозможны без существования такого физического эффекта. Вот пример того, как простая физика может иметь всеобъемлющее, всечеловеческое значение».
Красиво. Опасно? Ужасно
Айгуль Фанизовна Зиновьева, старший научный сотрудник ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук, поделилась открытиями, которые могут вызвать сильные переживания, и объяснила, почему так происходит.
Первая — красивая — новость связана с изящным экспериментом: «Нам известен квантовый эффект Холла, он наблюдается в двумерной электронной системе и проявляется в виде ступеней, в зависимости от Холловского сопротивления от магнитного поля, за появление эффекта отвечают киральные краевые состояния. На глаза мне попалась статья в Nature, где в совершенно другой материальной системе была смоделирована физика квантового эффекта Холла. Исследователи из MIT взяли охлажденный Бозе-конденсат атомов натрия и поместили его в эллиптическую ловушку, она обращалась с частотой омега и таким образом моделировала магнитное поле.
Затем исследователи поместили эту вращающуюся катушку в пучок лазерного света, закрыв ее маской. Бозе-конденсат доходил до края образца — это и было моделирование краевого состояния, после этого было помещено препятствие, и когда Бозе-конденсат доходил до этого препятствия, он плавно огибал его!»
Заголовок «Опасно?» Айгуль отдала сообщению о создании гибрида искусственного интеллекта GPT-4 и лабораторного робота, выполняющего повторяющиеся рутинные операции.
«Кристиан Понсе и Тео Шеффер, создатели компании Tetsuwan Scientific, разрабатывают стеклянный бокс с научным оборудованием, который сам обозначает проблему, предлагает путь решения, ставит проверочные эксперименты и анализирует результаты. Предлагаю подумать, опасно ли подобное для нас или нет?» — спросила исследовательница.
Маркировку «Ужасно» получила весть о мадагаскарских тараканах-киборгах.
«Сингапурские ученые взяли восьмисантиметровых тараканов и решили сделать из них киборгов для участия в спасательных операциях. Процесс занимает 68 секунд: таракана усыпляют углекислым газом, помещают на платформу, затем роботизированная рука крепит необходимую электронику к насекомому. Я считаю — это ужасно, мне жалко тараканов!» — сказала Айгуль.
О теории (не)вероятности: крыса с нейроинтерфейсом и подбрасывание монетки
Заместитель директора ИФП СО РАН доктор наук Александр Германович Милёхин начал свой доклад с игры со слушателями — задал десяток простых и не очень вопросов, на которые требовалось ответить «да» или «нет». Аудитория, разумеется, справилась, хоть и с некоторыми ошибками, но тут выяснилось, что ранее на эти вопросы полностью правильно ответила крыса.
«Мозг крысы по имени Пифия снабдили нейроинтерфейсом, который подключили к искусственному интеллекту. Его электроды передавали в разные зоны мозга грызуна сигналы, которые вызывали ощущения правды или лжи. Ученые задавали крысе вопросы в устной форме. За каждый правильный ответ Пифия получала поощрение, и на все вопросы, которые я задал здесь, крыса ответила правильно. А что если бы интерфейса не было? Крыса нажимала бы в произвольном порядке с вероятностью 50%», — заметил Александр Милёхин.
Считается, что именно с вероятностью 50% выпадает «орел» или «решка» у подброшенной монеты.
«Но не все так просто! В 2004 году была направлена научная статья в солидный математический журнал с теорией о том, что в результате прецессии монеты в полете вероятность ее приземления на ту же сторону, с которой она стартовала, — 51%.
Открытие взволновало множество молодых людей: 50 человек подкидывали монеты. Они сделали 350 000 подбрасываний, а пятеро из них провели 12 часов за этим увлекательным занятием. И да, они установили, что в 51% случаев монета приземляется на ту же сторону, с которой взлетела. Значит, если вы с кем-то поспорите на один рубль, то, подбросив монету тысячу раз, заработаете 19 рублей. Все 50 человек получили в этом году Шнобелевскую премию за эти “выдающиеся” работы», — резюмировал А. Милёхин.
Как становятся нобелевскими лауреатами?
Кандидат физико-математических наук Елена Валериевна Наумова, научный сотрудник ИФП СО РАН, в числе порадовавших ее достижений назвала недавнюю защиту кандидатской диссертации Ниной Курусь, награждение национальной премией «Вызов» в номинации «Ученый года» члена-корреспондента РАН Валерия Тучина (университетского преподавателя Елены), участие в конференции Endogenous biophotonics III и статью Ханса Кребса, опубликованную в 1967 г. в Nature, в которой анализируется, как становятся нобелевскими лауреатами.
«Кребс пришел к выводу, что самым значимым для его поездки в Стокгольм стало то, что он работал у нобелевского лауреата Варбурга. Тот же считал ключевой для себя работу у нобелевского лауреата Фишера, который, в свою очередь ссылался на Байера. Так непрерывная цепочка шла с восемнадцатого века по двадцатый. Более того, Кребс пришел к выводу, что значимо попасть к выдающемуся ученому в лабораторию примерно на период аспирантуры, и важна не передача собственных знаний, а, скорее, передача способа мышления, отношения к делу и жизни», — подчеркнула Е. Наумова.
Вперед морозить лед
Дмитрия Игоревича Рогило, старшего научного сотрудника ИФП СО РАН, кандидата физико-математических наук, заинтересовала статья 2004 года, в которой ученые рассматривали замерзание обыкновенной воды:
«Здесь происходит все то, что мы обсуждаем сейчас: есть и граница жидкость/кристалл, и таинственная сила, которая выносит материал наверх, и капелька жидкости, которая кристаллизуется, и растет кристалл. Оказывается, исследования этой области не исчерпаны: два ученых Калифорнийского университета сейчас продолжают испытания. Конечно, с такими вводными данными невозможно удержаться от эксперимента, я его провел и продолжу изыскания на новогодних праздниках, тем более что метеорологические условия способствуют», — улыбнулся Дмитрий и пожелал участникам увлекательных занятий в новом году.
Ананасы в шампанском? Шампанское исключить!
О работе, посвященной изменению состояния крови после употребления алкоголя, рассказала кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник Нина Николаевна Курусь.
«Брали образцы крови людей, употреблявших этанол в течение нескольких часов перед экспериментом, и образцы крови трезвенников. Затем сыворотка крови анализировалась методом КР-спектроскопии, и авторы показали, что употребление алкоголя, особенно систематическое, приводит к изменению состава крови. А кроме того — к изменению структуры жирных кислот. Авторы приходят к выводу, что это изменение способствует накоплению жиров в печени.
Может быть, ананасы в шампанском лучше, чем просто шампанское, потому что за счет папаина и других ферментов уменьшают жировую и белковую нагрузку. Побольше ананасов, поменьше шампанского!» — предостерегла исследовательница.
Альтер эго магнитных материалов
«Хотел бы рассказать о нескольких работах, претендующих на открытие нового состояния в магнетизме, — заинтриговал заведующий лабораторией ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко. — Это альтермагнетизм. Природа магнетизма стала понятна, как только открыли спин – есть ферромагнетики, есть антиферромагнетики. Обычный ферромагнетик — всегда есть остаточная намагниченность, с сильным (обменным) нарушением симметрии к обращению времени в электронной структуре. Антиферромагнетик — с симметричной электронной структурой и нулевой намагниченностью.
А альтермагнетики обладают сильным (обменным) нарушением симметрии к обращению времени в электронной структуре и нулевой намагниченностью. Объяснение простое: симметрия по магнитному направлению и кристаллической структуре — разная. Получается, что зонная структура альтермагнетиков оказывается спинполяризована, и это претендует на новое магнитное состояние вещества».
Надежда в борьбе с вирусами
Никита Юрьевич Торгунаков, сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН, поделился собственным опытом преодоления посткоронавирусного синдрома, отметив, что тот может длиться в несколько раз дольше, чем активная фаза болезни. Никита не стал заострять внимание на тяготах и особенностях коронавируса (напомнив только о необходимости защиты, вакцинации и т.п.), а акцентировал внимание на прорыве года, по версии журнала Science.
«Речь идет про вещество ленакапавир, одна инъекция которого превентивно защищает от вируса иммунодефицита человека сразу на полгода. Препарат воздействует на капсид – белковый контейнер вируса, в котором содержится генетический материал. Капсид – полимер, состоящий из мономеров, собирающихся в гексамеры, а из них складывается капсид целиком. Ленакапавир умеет связываться с мономером, и при сборке гексамера (из таких мономеров) гексамер оказывается извернут. На таком небольшом повороте строятся три пути, по которым ленакапавир мешает жить вирусу, блокируя его по разным аспектам.
В этом году были опубликованы результаты клинических исследований, которые показали, что вещество имеет стопроцентную эффективность и минимум побочных эффектов. Кроме того, ленакапавир открывает дорогу к созданию веществ, воздействующих на капсиды других вирусов. Препарат можно приобрести, но он стоит 40 000 долларов за год лечения (два укола), однако есть потенциал уменьшить стоимость лечения на три порядка, и работы в этом направлении уже идут.
Я выбрал такую историю, потому что мне захотелось закончить 2024 год с надеждой и напомнить вам и себе, что люди каждый день находят способы делать жизнь друг друга лучше. Поэтому стоит ждать какого-то улучшения жизни от открытий 2025 года», — воодушевил ученый.
Мертвая рыба может плыть против турбулентного потока лишь немногим хуже живой
Старший научный сотрудник ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Анатольевич Шевырин рассказал о красочных гетероструктурах — многослойных композициях, которые под силу изготовить почти любому человеку, и прогнозировал в ближайшие дни взрывной рост синтеза подобных объектов. Речь, разумеется, шла о селедке под шубой.
«Россия является безусловным лидером по созданию такого рода гетероструктур, но материалы, входящие в их состав, активно изучаются во всем мире», — заметил ученый.
Андрей отметил три научных статьи, где исследовались особенности моркови, картофельного крахмала и рыбы: «В этом году получила большое внимание работа, опубликованная в журнале Royal Society Open Science, о том, почему гнется продольно разрезанная морковь. Ответ тривиальный — у моркови сохнут по-разному середина и оболочка. Меня восхищает изображение экспериментальной установки, которую делали во времена жестких ограничений во время ковида и, несмотря на это, все сконструировано грамотно. В эксперименте проанализировали более 100 морковей, изменялся радиус кривизны, после этого они были еще и промоделированы методом конечных элементов.
Что касается картофельного крахмала: в университетском колледже Лондона удалось создать самые тонкие спагетти из крахмала (370 нанометров, мировой рекорд!) методом электроспиннинга. Как говорит автор, вкусовые качества спагетти оставляют желать лучшего, зато продукт хорошо впитывает жидкость и может в перспективе рассматриваться как перевязочный материал или может быть хорошим каркасом для наращивания биологических тканей — возникает потенциал биодеградируемого импланта».
Важнейший ингредиент гетероструктуры домашнего производства – рыба. Докладчик поделился сведениями о форели: «Джеймса Ляо из университета Гарварда заинтересовало, как рыба может плыть против течения. Выяснилось, что она предпочитает турбулентные потоки, а не ламинарные. Почему так? За препятствиями формируется дорожка вихрей, и рыба старается встраиваться между вихрями, получается, что поток воды проталкивает ее против течения. Джеймс Ляо сравнил живую и мертвую рыбу: оказалось, что мертвая форель плавает ненамного хуже. Если попытаться ввести резонансную частоту для тела форели и сравнить ее с частотой отрыва вихрей, то оптимальные условия для проталкивания рыбы вперед — совпадение частот. За это открытие автору, конечно же, дали Шнобелевскую премию».
Война миров. Творчество спасет мир людей?
Заведующий лабораторией ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов привлек внимание к совершенствованию искусственного интеллекта (ИИ) и рискам, связанным с этим процессом.
«Я проанализировал работы Илона Маска, как самого внимательного к ИИ человека. В 2010 году Маск выдвинул несколько угроз человечеству: крах цивилизации, метеоритная катастрофа, мировая война, – что стало одним из основных практических поводов программы освоения Марса и сохранения человечества. В 2012 Маск добавил еще одну угрозу – искусственный интеллект».
Как рассказал Дмитрий Щеглов, в 2013 году мнения насчет ИИ разделились: первое — если ИИ превзойдет людей, можно считать это естественным этапом эволюции, так тому и быть (Ларри Пейдж, Google), и второе — человеческое сознание – драгоценная искра, ей нельзя дать погаснуть (Илон Маск).
«С тех пор началась своеобразная война между этими группами, одну возглавляет OpenAI, Google, а вторую – Маск. Новые системы машинного обучения ИИ будут поглощать информацию самостоятельно и обучаться тому, как генерировать результаты, даже обновлять свой собственный код и возможности. Джон фон Нейман и писатель-фантаст Вернор Виндж назвали точкой сингулярности момент, когда искусственный интеллект станет самообучаемым, самопрограммируемым, и развиваться будет не линейно, а экспоненциально. Тогда и произойдет кардинальное отставание человечества от ИИ. Конечно, пока это только теория.
В число задач, которые преследует Илон Маск, входит: создание ИИ, дополняющего программный код, создание политически нейтрального конкурента серии GPT от Open-AI, создание этического, максимально ищущего истину ИИ».
Дмитрий Щеглов добавил, что можно сделать вывод о том, что в ближайшем будущем жизнь людей кардинально изменится, потребуется пересмотр общей цивилизационной модели человечества как с точки зрения смыслов развития, так и с точки зрения личных свободных прав.
«Нам нужно заниматься тем, что хуже всего дается искусственному интеллекту: творчеством и творческим поиском и надеяться на то, что ИИ не станет нас уничтожать, потому что это ценно, полезно даже для него», — подвел итоги исследователь.
Творчество и творческий поиск — та самая затравка, из которой растут открытия, стимулы к преодолению трудностей и, судя по всему, вечное превосходство над искусственным интеллектом.
Поэтому в качестве иллюстрации лучше всего подходит открытка, которую сделали сотрудники лабораторий №12, 14, 19 и 26 ИФП СО РАН. Она олицетворяет и мастерство, и креативность, и неожиданные решения, недоступные искусственному интеллекту.
Открытка размером 235х185 микрон выполнена методом безмасковой фотолитографии с совмещением. Елка и подарки – поликремний, фон (подслой) – диоксид кремния, надписи и украшения – золото.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
Фото Владимира Трифутина
