Ректор Владимир Шевченко: фотоника в МИФИ и технологии будущего

Ректор НИЯУ МИФИ Владимир Шевченко выступил 27 мая на Ежегодной Всероссийской научной конференции с международным участием «Микроэлектронные системы-2026». Какое место занимает фотоника в современной научно-технологической картине мира и в разработках и исследованиях нашего университета, где новая физика пересекается с новыми технологиями, и кто будет их заказчиком? Доклад ректора, выступавшего в секции «Фотоника и фотонные интегральные схемы» назывался «Фотоника в МИФИ: от квантовых технологий до термояда». Публикуем его основные тезисы.

Эра квантовых устройств началась во многом с МИФИ – здесь работал выдающийся ученый, лауреат Нобелевской премии по физике, выпускник и профессор МИФИ Н.Г. Басов, основоположник квантовой электроники, разработчик первого в мире лазера и вообще «большого семейства» лазеров. Подобно этому семейству в МИФИ сейчас тоже существует большое семейство ключевых направлений, связанных ядерной, квантовой и информационной научно-техническими доктринами: это новая физика и технологии будущего, ядерные технологии и новые материалы, новые решения для медицины и биотехнологий, технологии искусственного интеллекта, критические информационные технологии и наконец – квантовые технологии и интегральная фотоника. Расскажем о ключевых из них.

В МИФИ, совместно с ФИАН, НЦФМ и ВНИИФТРИ, занимаются исследованиями ядерного перехода оптического диапазона и перспективами создания квантового регистра на ядерном переходе в изотопе тория-229 с использованием квадрупольной ловушки Пауля, а также перспективами создания квантовых часов и квантового регистра на ионах стронция – эти разработки связаны с созданием новых стандартов времени и частоты. «Мы целимся в погрешность в 10^–20», что даст возможность для качественно новых экспериментальных исследований, например, для автономной гравиметрии.

Занимаются в МИФИ созданием и управлением многокубитных спиновых квантовых сетей, образуемых электронными и ядерными спинами примесных центров в алмазе, ядерными спинами изотопического углерода решетки, а также внешними ядерными спинами с целью их использования в квантовых технологиях. Основные результаты: разработаны основы управляемой лазерной  генерации одиночных NV-центров в приповерхностном слое алмаза; разработана методика фотолюминисцентного контроля, позволяющая дозировать лазерное воздействие и контролировать таким образом генерацию активных центров; создана первичная характеристика полученных образцов алмаза – установлены  времена спин-решеточной релаксации и спиновой когерентности для обнаруженных в них центрах окраски; установлена предварительная структура многокубитной сети электронных/ядерных спинов. В июне в университете пройдет большой семинар по этой тематике.

Развивается история с квантовыми сенсорами на базе NV-центров – у нас разработаны квантовые магнитометр на NV-центрах (они представляют из себя чип, содержащий фотодиод, источники СВЧ импульсов, лазерный диод для накачки NV центров) и квантовый термометр на центрах окраски (представляет из себя оптоволокно с размещенным на нем алмазом (0,1-10 мкм) и СВЧ-антенной, используется в качестве щупа при исследовании биологических объектов). Разработан новый протокол квантовой магнитометрии для крамерсово-вырожденных спиновых систем в алмазе, он позволяет повысить точность измерений слабых магнитных полей за счет подавления влияния внутрикристаллических деформационных и связанных с ними электрических полей.

Разрабатывается измерительный комплекс для сканирующей квантовой магнитометрии – с сенсорным элементом на основе NV-центров в алмазе. Прибор предназначен для высокочувствительной и высокоразрешающей векторной магнитометрии слабых полей от различных объектов при комнатной температуре и атмосферном давлении. Физическая основа его работы – использование зависимости частот микроволновых переходов между спиновыми подуровнями от магнитного поля из-за эффекта Зеемана. Латеральное разрешение прибора не хуже 50 нм, температура проведения измерений 300 К. Сферы применения – создание новых 2D-наноматериалов; исследования и разработки в микро- и наноэлектроники, спинтронике, в технологиях создания энергонезависимой памяти; исследования и разработки в области нейробиологии и биомедицины; проведение фундаментальных исследований в области нанотехнологий, высокотемпературной сверхпроводимости, физики магнитных явлений. Эти работы выполняются в рамках нашего НЦМУ – научного центра мирового уровня.

В этом же НЦМУ создается источник одиночных фотонов (ИОФ) на основе наноалмаза с SiV-центром, точечный дефектом, формируемым атомом кремния между двумя вакансиями в кристаллической решетке алмаза. При оптическом возбуждении SiV переходит в возбужденное состояние, а затем релаксирует в основное с испусканием фотона на длине волны 738 нм. Такой ИОФ обладает рядом преимуществ – это высокая интенсивность узкополосной эмиссии одиночных фотонов при комнатной температуре, неограниченная временная фотостабильность, возможность интеграции наноразмерного эмиттера в микрорезонатор, возможность масштабирования.

Научная деятельность ядерного университета неразрывно связана с образовательной – в МИФИ существует учебно-научный центр «Квантовый инжиниринг», где готовят высококлассных специалистов-прикладников в сфере квантовых и смежных технологий. Отметим, что подготовка осуществляется по первой и единственной в России программе бакалавриата, которая с первого курса ориентирована именно на квантовые технологии. Студенты осуществляют свои научно-исследовательские работы на базе лабораторий НИЯУ МИФИ, ФИАН им. Лебедева, ВНИИФТРИ, QRate и МФТИ. Вуз также является площадкой для проведения олимпиады НТО для школьников профиля «Квантовый инжиниринг», мы также готовим команды для участия в AtomSkills и Digitalskills по компетенции «Квантовые технологии». Разрабатывается совместная сетевая образовательная программа МИФИ-МФТИ-МИСИС-МГТУ им. Баумана под эгидой Госкорпорации «Росатом» – которая ляжет в основу Международного квантового университета.

В МИФИ также разрабатывают волноводный фотодетектор с СВЧ полосой 40 ГГц (в рамках платформы InP для ФИС), широкополосный приемно-передающий радиофотонный блок, интерферометры (трехкоординатный – для измерения перемещений в нанометровом диапазоне LHI-NANO-3D и энкодер перемещений нанометровой точности LHI-ENC).

Ну и конечно, ректор рассказал о строительстве экспериментального лазерно-физического комплекса ЭЛЬФ – уникальной для российских университетов установке, на основе которой будет создана научно-исследовательская инфраструктура мирового уровня, с применением мегасайенс установок в формате user facility, замещающего утраченные возможности доступа на зарубежные пользовательские установки. Что всё это значит для фундаментальной физики? Что здесь будут исследоваться лазерное ускорение электронов и ионов, радиационное трение, квантовый режим излучения, квантовые каскады, нестабильность вакуума – на пиковой интенсивности от 1018 до 1027.

«Сегодня электроника фактически достигла своего предела, надо переходить на фотоны и повышать частоту, эта история должна становиться прикладной», отметил ректор, но как, когда и кем это будет осуществляться рывок в развитии радиофотонных технологий в масштабах мировых и страны – это главный вопрос.