Временные кристаллы, графен и тайм-менеджмент

В 1960-х годах в нашей стране появился Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Академии наук. Он был основан непосредственными учениками гениального ученого — будущими академиками И.М. Халатниковым, Л.П. Горьковым, А.А. Абрикосовым (лауреат Нобелевской премии 2003 года), член-корреспондентом И.Е. Дзялошинским. Сегодня сотрудники Института по-прежнему следуют традициям Ландау и демонстрируют высочайший уровень научных исследований. Здесь работают известные во всём научном мире специалисты в области физики конденсированного состояния, квантовой теории поля, релятивистской астрофизики и космологии, физики квантовых вычислений и др.

«Научная Россия» обсудила с Игорем Сергеевичем БУРМИСТРОВЫМ — заместителем директора Института теоретической физики им. Л.Д.Ландау РАН, доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником международной лаборатории физики конденсированного состояния НИУ ВШЭ — текущие исследования в области теоретической физики.

— Недавно Институт Ландау подал заявку на получение мегагранта в области теоретической физики. Что за проект вы задумали?

— Мегагранты, как правило, выдаются на организацию каких-то новых исследований. Мы, в Институте Ландау, хотим создать лабораторию по изучению квантовой динамики в равновесных и неравновесных квантовых системах — это фундаментальные вопросы физики квантовых вычислений и квантовых компьютеров. В последние пять-десять лет наблюдается всплеск интереса к этой теме, и мы тоже считаем ее актуальной. Разброс задач здесь довольно обширный, но из тех, что у всех на слуху, можно выделить изучение временных (темпоральных) кристаллов.

Есть такой Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек, который предложил интересную идею. Все мы, что знаем обычные кристаллы — это просто упорядоченная в пространстве система атомов. И, раз она упорядоченная, значит, в пространстве нарушилась непрерывная симметрия, но осталась дискретная: то есть атом теперь можно сместить не на какое-то произвольное расстояние, а только на позицию следующего атома, чтобы вся структура сохранилась. Так вот, Вильчек предложил: а почему такое не может происходить и во времени? То есть речь идет о кристалле, но не в пространстве, а во времени. 

В буквальном смысле, как оказалось, в равновесии такого быть не может, но всё же есть некоторые явления в неравновесных условиях, похожие на такой временной кристалл; и это сейчас интенсивно изучается. Оказалось, что в нашем институте это направление не представлено, поэтому мы и решили организовать подобные исследования. А так как временная динамика квантовых систем очень сложна, и аналитически здесь почти ничего нельзя сосчитать, то для работы необходим вычислительный кластер. Поэтому мы хотим использовать мегагрант, чтобы купить оборудование для этого кластера, а также пригласить к нам известного специалиста (работающего в Германии) по численному изучению квантовых систем — Фердинанда Эверса. Мы ожидаем, что такая тематика исследований привлечет также аспирантов и студентов, которым будет интересно и полезно познакомиться с подобными задачами.

— Вы упомянули Фердинанда Эверса, которого хотите пригласить. А что привлекает иностранных специалистов в Институте Ландау, они охотно готовы приезжать к вам?

— Иностранные коллеги, безусловно, готовы сюда приезжать. У нас в Институте действует коллоквиум, на который до пандемии мы регулярно приглашали иностранных ученых. Они с большим удовольствием приезжали. Не было ни одного отказа. Однако сейчас мы, как и весь мир, испытываем проблемы с личным общением в связи с закрытием границ из-за пандемии. Пока общаемся только онлайн. 

Наверняка где-то в мире есть специалисты, которые не готовы по каким-то причинам общаться с российскими учёными, но я с подобным никогда не сталкивался. Около половины моих научных работ написаны в соавторстве с зарубежными учёными, и это довольно распространенная практика.

Если говорить про приезд иностранных учёных для научной работы на длительный срок, то понятно, что у нас зарплата в целом ниже, чем в той же Европе, например. Но, с другой стороны, здесь и текущих расходов меньше. А в те места, где уровень зарплат сопоставим с европейским, например в Сколтех, иностранные специалисты уж точно готовы ехать. Всё ещё сильно зависит от самого места. Часто люди едут в Россию не за зарплатой, а чтобы поработать с конкретным специалистом. Если это постдок, например, то он может приехать в надежде попасть к сильному научному руководителю и т.д.

— Кроме мегагранта, над какими ещё проектами вы работаете?

— Сейчас у меня пять студентов, научной работой которых я руковожу, а значит, и пять проектов. Это проекты, связанные с влиянием магнитных примесей на сверхпроводимость, проекты, связанные  со с сверхпроводящей спинтроникой, а также проект про гидродинамику электронной жидкости. Проект на тему сверхпроводящей спинтроники направлен на изучение скирмионов — это такие объекты, которые, в частности, хотят использовать для магнитной памяти; мы изучаем их взаимодействие со сверхпроводящими вихрями Абрикосова. 

Сам я, как физик-теоретик, работаю над задачами в разных областях физики конденсированных сред: это и мезоскопическая сверхпроводимость, и упругие свойства мембран, и квантовые эффекты в низкоразмерных системах и т.д. На данный момент это сугубо фундаментальные исследования, но впоследствии, возможно, полученные знания будут использованы в  практических применениях. Если мы вспомним тот же графен, который активно исследовался в конце 1940-х годов, то тогда считали, что эти исследования носят сугубо фундаментальный характер. Даже в учебнике Ландау и Лифшица было написано, что таких систем как графен — двумерных кристаллов — в принципе быть не может при конечных температурах. И что в итоге? Прошло чуть более полувека, и оказалось, что графен несложно изготовить в лабораторных условиях.

Сейчас есть много идей о том, как можно применять графен. Были идеи, что получится его использовать в качестве транзистора, как замена элементной базы современной электроники. Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются использовать его упругие свойства. Если сравнить атомарный слой углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой, скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё. С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся экранов, городских строений и др., возможно, он станет будущим строительным материалом для космических кораблей, общественного транспорта и т.д.

— Где вы берете новые идеи для своих работ?

— Здесь очень важен опыт. Когда только начинаешь заниматься физикой, то иногда может показаться, что в той или иной области всё уже давно изучено, ведь написано так много статей, книг, учебников и т.д. Но потом, когда начинаешь разбираться, оказывается что статей-то много, а хороших, правильных, надёжных результатов — мало. Существует много областей, по которым не то что статьи, а целые учебники написаны. Однако при детальном разборе выясняется, что есть важные на сегодня вопросы, которые в тех трудах не затронуты, а на некоторые из таких вопросов вообще даны неправильные ответы. И вот у тебя набирается некоторый бэкграунд, ты понимаешь, что можно сделать в той или иной области, а затем происходит некий «фазовый» переход: оказывается, что задач, которыми можно было бы заниматься, и которые интересны, больше, чем времени и ресурсов на их выполнение.

— Говорят, великие открытия не совершаются с девяти до шести. А вы успеваете решать все задачи в течение рабочего дня?

— С этим утверждением я согласен, да. Не знаю как у большинства людей, но у меня, начиная со студенческих времен, граница между работой и личной жизнью как-то стёрлась. Если есть какое-то время, свободное от личных или административных дел, то я сажусь и работаю над своими научными задачами. Это может быть и с утра пораньше, а может быть и в одиннадцать вечера. То есть какого-то жесткого графика, чтобы начать работать, например, в девять и закончить в пять, у меня нет. Когда я был аспирантом в Амстердамском университете, со мной в комнате сидел аспирант из Китая, который работал именно по такому стабильному графику: с 9 до 17 часов. Подобное отношение к делу тоже вполне возможно, здесь вопрос скорее не в том, как правильно, а в том, кому как удобнее. Иногда какие-то интересные идеи по работе приходят, когда занимаешься совсем другими делами: моешь посуду, например.

— Какими качествами, на ваш взгляд, должен обладать физик-теоретик?

— Это всё, до некоторой степени, индивидуально. Я бы сказал, что нужно обладать прежде всего хорошим здоровьем, потому что это только кажется, что у физики-теоретика легкая кабинетная работа. На самом деле работа достаточно тяжёлая, ведь постоянно нужно напрягать мозг, концентрировать свое внимание, прикладывать большие усилия в мыслительной деятельности. Такое качество, как усидчивость, тоже полезно, но далеко не все им обладают. 

С другой стороны, есть яркие, талантливые учёные, которые могут и на бегу что-то посмотреть и какую-то работу сделать. Но самое главное качество для любого учёного это, пожалуй, любопытство. Вот все люди ходят по берегу, видят только обычную гальку под ногами и проходят мимо. А человек, который занимается физикой, смотрит на эту гальку, и среди, казалось бы, одинаковых камешков отыскивает «изумруды». Другими словами, тот, кто хочет заниматься наукой в первую очередь должен уметь задавать вопросы, на которые сам потом же и будет отвечать.

— Как, по-вашему, нужно подходить к решению научных задач?

— В любой науке есть перечень определенных задач, которые можно отранжировать по степени их сложности. Важно понимать свой уровень и работать на пределе своих возможностей. Бывают случаи, когда люди неадекватно оценивают себя: например, человек может всю жизнь потратить на какую-то задачу, которую он в принципе никогда не сможет решить или, наоборот, он может возиться с бесконечным количеством простых задач, хотя мог бы взяться за задачи более серьёзные и подходящие его уровню. Поэтому к постановке и решению научных задач лучше подходить адекватно оценивая свои возможности.

— Почему вы выбрали именно Институт Ландау в качестве своего основного места работы?

— Мой отец — физик-теоретик. Я с самого детства слышал, что в Институте Ландау самые сильные физики-теоретики. Поэтому вопроса о том, где я хочу работать, для меня не было. Много позже, когда я стал разбираться в различных областях физики, то понял, что в Институте Ландау занимаются такими задачами теоретической физики и используют такие методы решения, которые почти нигде больше в России не найти. За всё прошедшее время я ни разу не пожалел о своем выборе.

Беседовала Янина Хужина.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.