Физик-теоретик — о том, как разместить библиотеку Конгресса США в микроскопическом кубике

14:16, 29 ноября 2016

Спецпроект портала 66.ru «Человек наук» продолжает интервью с физиком-теоретиком Владимиром Мазуренко

Владимир Мазуренко рассказывал в основном о будущем науки, технологий, промышленности. Фото: Александра Хлопотова

Никаких микроскопов и суперкомпьютеров. Только доска, маркер и группа хорошо подготовленных студентов. Так работает очередной герой нашего спецпроекта о том, чем на самом деле заняты ученые УрФУ. Владимир Мазуренко моделирует новые материалы: то есть он описывает в формулах то, чего еще нет, что еще не открыто, не создано, не разработано и не применяется. А потом смотрит, как другие люди теорию воплощают на практике.

Владимир Мазуренко — старший научный сотрудник кафедры теоретической физики и прикладной математики. Его работа — это описание свойств материалов: от популярного в научной и промышленной среде графена («революционный материал XXI века», «самый прочный, легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения») до галлуазита (которому прочат большое будущее в деле создания инновационных антикоррозийных и противопожарных покрытий, например).

Образцы исследуемых материалов он, как правило, даже не видит. Задача физика-теоретика — описать, предсказать, объяснить, сформулировать, отдать практикам, а потом наблюдать за тем, как результаты его работы применяют.

Нам Владимир Мазуренко рассказывал в основном о будущем науки, технологий, промышленности и в конечном итоге — о будущем каждого из нас. Из длинного интервью мы, по традиции, выкинули все наши наивные (с точки зрения любого физика) вопросы, оставив только самые интересные ответы.

О простоте сложных структур и будущем наноматериалов

По сравнению с экспериментальной физикой, где любой расходный материал для эксперимента — это огромные затраты, мы с нашими теоретическими исследованиями претендуем на гораздо меньшие суммы. Расходы идут в основном на оплату труда и на то, чтобы получить или обеспечить доступ к вычислительным мощностям для решения тяжелых задач, связанных с описанием физических свойств современных материалов. Наш конек (то, что мы умеем делать хорошо и на мировом уровне) — описывать, объяснять и предсказывать магнитные свойства передовых материалов.

Одна из важных составляющих любой теоретической работы — ее предсказательная сила. Именно это в значительной степени стимулирует постановку и проведение новых реальных и численных экспериментов. И если теоретическое предсказание удается экспериментально подтвердить, это замечательно. Причем даже не обязательно точь-в-точь.

К сожалению, я не держал в руках большинство веществ и материалов, свойства которых мы изучаем. Это большой минус. Однако некоторые системы в руках не подержишь в принципе. Например, поверхностные наноструктуры и магнитные молекулы. В совместной работе с Михаилом Иосифовичем Кацнельсоном, профессором Университета Радбода Утрехтского в Нидерландах, мы изучали молекулярные магнетики. С ними были связаны большие надежды по созданию новых квантовых устройств чтения и записи информации. Экспериментально было показано, что при низких температурах такие системы могут находиться в определенном магнитном состоянии от одного месяца до нескольких лет. За много лет исследований мы построили простую модель для наиболее важного представителя класса молекулярных магнетиков — молекулы марганец-12, состоящей из 12 атомов марганца и огромной периферии из углерода, водорода и других атомов.

Всё очень быстро меняется. Синтезируются новые системы, генерируются новые идеи и концепции. Например, основной тренд этого года — магнитные скирмионы. На уровне магнитных моделей, которые мы решаем, скирмионная решетка — это особый вид магнитной структуры, который формируется благодаря слабым анизотропным взаимодействиям. Мы предсказали возможность формирования скирмионов в системах на основе графена и кремния — оба этих материала являются ключевыми для современной электроники.

С 1980-х гг. в физике сформировалось направление, связанное с поверхностными наносистемами. Компания IBM опубликовала работу, которая была проиллюстрирована надписью «IBM», выполненной на поверхности отдельными атомами вещества. Потом начали создавать из различных атомов удивительные структуры. А затем на их основе стали делать простые логические реле, держа структуру в виде состояния «ноль» или «единица». В этом году в журнале Nature Nanotechnology вышла статья, авторы которой создали килобайт атомной памяти на таких структурах. Смогли зашифровать кусок текста — фразы из лекции Ричарда Фейнмана. И показали, что если делать это для трехмерной системы, то можно в кубике размером 100×100×100 микрометров разместить всю библиотеку Конгресса США. Плотность записи в таких структурах на три порядка выше, чем в тех, которые используются в современных устройствах хранения информации. Раньше это казалось фантастикой.

О деньгах, конкуренции и эффективности уральской науки

Я предпочитаю говорить «исследователь», а не «ученый». «Ученый» для меня — слово с оттенком косности. Исследователя же отличает постоянный поиск и критический взгляд. Он ко всему относится с подозрением, с настороженностью и пытается проверить.

Труд ученого, пожалуй, можно оценить качеством и количеством публикаций. Публикация — это документ, который показывает, что ты знаешь и на что способен. Именно на это обращают в первую очередь внимание при распределении грантов и трудоустройстве в научных организациях.

В мире теоретической физики жесткая конкуренция. Это заставляет быть в тонусе.Каждый день я начинаю с того, что просматриваю сайт препринтов (arxiv.org) — это тексты статей, выкладываемые авторами, которые они подали на рассмотрение для публикации в том или ином журнале. Пока статья выйдет, научное сообщество будет уже в курсе последних результатов и двинется дальше. Каждый день я просматриваю около пятидесяти новых статей, внимательно читаю две-три.

У нас налажено очень мощное взаимодействие с научными центрами Европы, Японии и США. Оно возникло не на пустом месте.

В 90-е гг. в Екатеринбурге работала группа высококлассных специалистов по изучению электронной магнитной структуры сильно коррелированных материалов. Это материалы, в состав которых входят элементы переходных металлов: железо, никель, кобальт и др. В это время ситуация в российской науке сложилась такая, что многие были вынуждены уехать за рубеж. Впоследствии сделали там карьеру, стали профессорами и учеными с мировыми именами.

Последние 10 лет мы активно работаем над тем, чтобы сделать Уральский федеральный университет привлекательным местом для известных ученых, которые здесь учились и начинали научную карьеру. Это долгий и кропотливый труд, он требует совместных научных исследований и участия в различных программах грантов.

Гранты — наш основной источник финансирования. Если реализация проекта подразумевает немедленное практическое применение полученных теоретических результатов — это идеальный вариант, поскольку ценность таких исследований легко понять стороннему человеку, потенциальному спонсору. Появляется возможность получить дополнительное финансирование от коммерческих структур. Но для нас это большая редкость. В основном мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Здесь нам в основном приходится рассчитывать только на государственную поддержку.

Александра Хлопотова для портала 66.ru