Терагерцовый диапазон частот
Если помните, прошлый выпуск радиожурнала «Наука и техника» был посвящён рассказу о деятельности фонда имени Александра Гумбольдта и о молодых российских исследователях, удостоенных учреждённой этим фондом премии имени Софьи Ковалевской.
Эта премия была присуждена 29-ти молодым иностранным учёным, в том числе 6-ти россиянам. Теперь каждый из лауреатов может на протяжении 3-х лет работать в любом из университетов или научно-исследовательских институтов Германии по своему выбору.
Проект одного из лауреатов-россиян – Михаила Фейгинова, – заслуживал, с моей точки зрения, более подробного разговора, но времени на него в прошлой передаче не хватило. Поэтому сегодняшний выпуск журнала мы начинаем со знакомства с Михаилом Фейгиновым и его научными изысканиями. Свою краткую биографию лауреат излагает сам:
Фейгинов: Родился я в 1971-м году в Минске. После окончания школы уехал в Москву, где учился в Московском Физико-техническом институте, а по его окончании, начиная с 1994-го года, работал в Институте радиотехники и электроники. Последний год я работал в Германии, в Техническом университете Хемница, а сейчас я переехал в Технический университет Дармштадта.
Тема проекта, над которым Михаил Фейгинов работал в Техническом университете Хемница и которым он будет теперь заниматься в Техническом университете Дармштадта, сформулирована так: «Исследование возможностей использования полупроводниковых структур как источников излучения в терагерцовом диапазоне частот». На вопрос, что же это за диапазон, Михаил отвечает, как мне кажется, слишком уж лаконично:
Фейгинов: По-простому говоря, это очень высокие частоты.
Виктор Кроцер (Victor Krozer), профессор физики Технического университета в Хемнице, даёт более подробное объяснение:
Кроцер: Мегагерцовый диапазон хорошо всем нам известен, это радиосвязь, радиовещание и телевидение. Следующий за ним диапазон – гигагерцовый: на этих частотах работают спутниковые и мобильные средства коммуникации. Если мы сделаем сразу большой скачок, то попадём в область оптического излучения – теплового, то есть инфракрасного, видимого и ультрафиолетового. Ещё дальше – рентгеновское излучение и гамма-излучения. А в промежутке между радиочастотами и оптическим излучением как раз и находится диапазон, именуемый терагерцовым.
В чём же особенность этих частот? Михаил Фейгинов поясняет:
Фейгинов: Основная особенность их в том, что они не исследованы, и сегодня практически не существует устройств, которые работали бы в этом диапазоне частот. Электроника за последние десятки лет развивалось в направлении увеличения частот, на которых эти устройства работают. Если говорить о компьютерах, то это напрямую связано с их быстродействием. На сегодняшний день широко используются частоты в районе гигагерца – это частоты сотовой связи, это частоты, на которых работают процессоры в компьютерах. Если взять в 10 раз более высокие частоты, то этот диапазон уже в скором времени будет широко использоваться, а если иметь в виду частоты, на 2, 3 или 4 порядка более высокие, то тут возникает огромное количество как технических сложностей в использовании этих частот, так и фундаментальных физических проблем. На сегодняшний день вообще не понятно, удастся ли преодолеть эти трудности и сделать доступными устройства и источники излучения в этом диапазоне частот, то есть в районе от терагерца и выше.
Какие конкретные задачи Вы ставите перед собой?
Фейгинов: Я работаю как над источниками излучения, так и над возможностью использования этих частот для идентификации биологических клеток или каких-то химических элементов. Это основано на том, что все они обладают некими резонансными частотами, и эти частоты можно детектировать, если иметь источник, излучающий в этом диапазоне частот. В принципе этой технологии можно найти огромное количество применений – и в биологии, и в химии, и в медицине. По крайней мере, все надеются, что это будет именно так. Но пока исследований в области применения этого диапазона частот выполнено мало, потому что нет источников.
В том, что электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне частот может дать мощный импульс научным исследованиям в самых разных областях знаний, учёные не сомневаются. За примерами далеко ходить не надо. Как известно, молекулы любого вещества вибрируют, то есть совершают очень быстрые колебания. Каждое вещество обладает своей, присущей только ему сугубо индивидуальной частотой колебаний молекул, но все эти частоты лежат именно в терагерцовом диапазоне. Таким образом, разработка источников и приёмников колебаний соответствующих частот означала бы значительный прогресс в области спектрального анализа и позволила бы безошибочно идентифицировать любые известные науке вещества и соединения, где бы они ни находились, – будь то в живых клетках или в космосе. Вооружённые такой терагерцовой технологией, радиоастрономы могли бы гораздо глубже постичь механизмы, управляющие процессами образования звёзд и галактик, выяснить, какую роль играет загадочное тёмное вещество – так называемая скрытая масса Вселенной, – а возможно, и ответить на вопрос о наличии жизни на далёких планетах. Недаром Европейское космическое агентство тесно сотрудничает с Техническим университетом Дармштадта. Правда, руководствуется оно при этом не столько намерением приступить к поискам жизни в других галактиках, сколько заботой о состоянии атмосферы нашей собственной планеты. Но и для наблюдений за земной атмосферой агентству нужны источники высокочастотного излучения, а именно в здесь, в Дармштадте, группе физиков-экспериментаторов уже удалось создать резонансно-туннельные диоды диаметром менее 0,001 миллиметра, способные принимать и излучать электромагнитные волны частотой до 3-х терагерц. Это же обстоятельство побудило и Михаила Фейгинова избрать местом своей будущей работы именно Технический университет Дармштадта. Будучи физиком-теоретиком, он надеется, что его математические выкладки в сочетании с экспериментальными данными, добытыми в лабораториях Дармштадтского университета, помогут ему и его коллегам создать более совершенные генераторы терагерцовых частот:
Фейгинов: В мире существует не так уж много мест, где интенсивно проводятся исследования в этой области. Дармштадт – одно из таких мест. Я думаю, что для меня огромной помощью будет взаимодействие с университетскими коллегами, их опыт, оборудование, которым они тут располагают. Всё это очень важно для успешной работы.
В мире таких мест, действительно, очень немного. Но в Германии, помимо Технических университетов в Хемнице и Дармштадте, есть и ряд других научных учреждений, работающих в этом направлении. Причём идут они к одной и той же цели разными путями. Так, в университете Франкфурта-на-Майне исследователи пробиваются в терагерцовый диапазон не снизу, со стороны мега- и гигагерцовых частот, а сверху, со стороны оптического излучения. В поисках подходящих технологий франкфуртские инженеры экспериментируют с лазерами. Правда, лазеры излучают видимый свет, то есть работают в диапазоне значительно более высоких частот, поэтому исследователи используют одновременно два лазера с различной рабочей частотой и смеситель на базе нелинейно-оптического кристалла, что позволяет получать нужное им терагерцовое излучение как разность частот этих лазеров. Здесь так же, как и в Хемнице и в Дармштадте, учёные связывают с этим направлением исследований большие надежды. Профессор Хартмут Роскос (Hartmut Roskos) говорит:
Роскос: Особенно в области физики твёрдого тела продолжительность протекания многих процессов прекрасно соотносится с временными параметрами терагерцового излучения. И вот что ещё очень важно: величина энергии, необходимой для того, чтобы запустить эти процессы, примерно такова, что они как раз могут быть запущены посредством терагерцового облучения. Благодаря этому в деле изучения и анализа процессов, происходящих в твёрдых телах, перед нами открываются совершенно новые возможности, возможности, которых до сих пор просто не имелось.
Терагерцовое излучение обладает и ещё одним весьма полезным свойством: подобно рентгеновскому, оно позволяет заглянуть внутрь материи, просветить её. Это может означать новые методы дефектоскопии и контроля качества на производстве. Ничуть не менее радужные перспективы открываются и перед биологами и медиками. Дело в том, что терагерцовое излучение, в отличие от рентгеновского, не наносит вреда живым тканям, поскольку для получения снимка достаточно очень слабого и очень короткого импульса. Но, несмотря на низкую интенсивность и малую продолжительность облучения, контрастность изображения при этом оказывается значительно выше, чем при традиционном рентгенологическом или ультразвуковом обследовании. Возможно, в будущем терагерцовое излучение ляжет в основу нового метода диагностики. Особенно, если с его помощью удастся выявлять опухоли. Во всяком случае, Карстен Зиберт (Karsten Siebert), научный сотрудник университета Франкфурта-на-Майне, очень на это надеется:
Зиберт: Самое замечательное тут, безусловно, то, что терагерцовое излучение позволяет очень точно улавливать наличие воды и определять её содержание в тканях. Мы надеемся, что на этой основе сможем научиться идентифицировать различные виды тканей, характеризующиеся различным содержанием воды, и таким образом, отличать опухолевую ткань от здоровой.
Однако для практической реализации подобных проектов необходимы простые, надёжные и недорогие, то есть доступные источники и приёмники терагерцового излучения, а их нет. Поэтому пока всё это – дело будущего. Над тем, чтобы оно наступило побыстрее, и собирается работать в Дармштадте Михаил Фейгинов. Перспективы уж очень заманчивы.
На этом мы расстаёмся с Михаилом Фейгиновым и поговорим теперь о другом исследовании. Его ведёт группа учёных всё того же Технического университета в Дармштадте. Предмет их пристального внимания – ферромагнетизм. Казалось бы, это явление давно и детально изучено, о том, что происходит на атомарном и доменном уровне внутри магнитного материала, знает любой школьник старших классов. Однако поверхность ферромагнетиков, оказывается, вполне способна преподнести учёным сюрпризы. Любимый объект исследования современных физиков, работающих в области ферромагнетизма, напоминает слоёное тесто. Получают его так: на тончайшую плёнку из ферромагнетика со строго заданным направлением вектора намагниченности накладывается столь же тонкая плёнка из немагнитного металла, а сверху – ещё одна плёнка из ферромагнетика. Такой сэндвич толщиной в несколько нанометров обладает удивительным свойством: при определённой толщине разделительного слоя верхний слой ферромагнетика намагничивается в том же направлении, что и нижний. Но если промежуточный слой чуть толще или тоньше, вектор намагниченности поворачивается на 180 градусов. Весь сэндвич становится как бы немагнитным, поскольку магнитные поля верхнего и нижнего слоя ферромагнетиков нейтрализуют друг друга. Образуется так называемый искусственный антиферромагнетик. Но почему учёные уделяют подобным системам повышенное внимание? Руководитель исследований профессор Хорст Хан (Horst Hahn) поясняет:
Хан: От взаимной ориентации этих двух соседних магнитных моментов зависит электрическое сопротивление всей системы. Конкретно это означает вот что: при антипараллельной направленности моментов – такое состояние называется антиферромагнитной связью – электрическое сопротивление сэндвича очень велико, если же векторы намагниченности направлены в одну сторону, то оно крайне мало. И это свойство системы можно использовать на практике.
Например, посредством приложения внешнего магнитного поля. Оно способно переводить сэндвич из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное и наоборот. Иными словами, меняя напряжённость внешнего поля, мы получаем, например, возможность на короткое время превратить диэлектрик в прекрасный проводник. Такое свойство системы позволяет применять её в самых разных технических устройствах. Скажем, уже сегодня существуют компьютерные жёсткие диски, в которых считывание информации производится такими искусственными антиферромагнетиками.
Однако перед исследователями ещё немало нерешённых проблем. Для того, чтобы создавать сэндвичи со строго заданными параметрами – а иначе всё это не имеет смысла, – необходимо изучить множество сочетаний разных материалов. Профессор Хорст Хан говорит:
Хан: Мы можем использовать самые различные ферромагнитные материалы, мы можем использовать всевозможные немагнитные металлы в качестве промежуточного слоя. Кроме того, можно ведь изготовлять промежуточный слой из полупроводниковых материалов, скажем, из кремния. Такая система будет иметь совершенно особые электрические свойства. И наконец, в качестве материала для промежуточного слоя можно использовать окислы металлов, то есть диэлектрики.
Загадочными остаются для исследователей и свойства граничных поверхностей между магнитным и немагнитным слоями внутри сэндвича. Так, одной из групп исследователей удалось недавно показать, что значение полного магнитного момента одного и того же атома на стыке двух материалов меняется в широких пределах, порой достигая больших величин, порой обращаясь в нуль. Если учёные научатся контролировать подобные эффекты и управлять ими, то это позволит конструировать для промышленного применения магнитные системы со строго заданными параметрами.
Особая тема исследований – так называемые магнитные жидкости. Они представляют собой высокоустойчивые коллоидные растворы твёрдых магнитных материалов в различных жидкостях-носителях и обладают весьма интересными свойствами. Профессор Хан говорит:
Хан: Посредством внешнего магнитного поля ими можно управлять: например, можно заставить такую жидкость течь вверх по вертикальной стене, преодолевая силу тяжести.
Кроме того, можно заставить магнитную жидкость двигаться в потоке против течения – скажем, внутри кровеносного сосуда. Исследователи уже думают над тем, чтобы использовать магнитные жидкости для прицельной доставки лекарственного препарата к любому органу человеческого тела, например, поражённому опухолью. Кроме того, там можно было бы использовать и непосредственно магнитные свойства взвешенных в жидкости однодоменных частиц. Одна из возможных сфер применения такого рода – так называемая локальная гипертермия, цель которой – тепловым воздействием разрушить новообразование. Использование магнитных жидкостей позволит сделать такую процедуру более прицельной и, как следствие, более щадящей. И хотя пока всё это – так же, как и использование терагерцового излучения, – дело будущего, перспективы и здесь открываются весьма заманчивые. А потому научные исследования идут полным ходом.