«Харків — залізобетон», — цей короткий слоган найкраще описує життя харків’ян. Люди в цьому місті живуть і працюють наперекір війні, попри обстріли й бомбардування.
Так працює і науковий колектив Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (ІРЕ). Наше видання вже розповідало про прицільні ракетні атаки по цій установі. На початку війни (та й багато разів пізніше) росіяни намагалися знищити інститут, який виконує проривні дослідження, важливі для багатьох галузей економіки, зокрема для «оборонки».
Роботу науковців інституту «Мікрохвильовий відгук матеріальних середовищ в електродинамічних структурах, методи і результати дослідження» подано на присудження Національної премії імені Бориса Патона.
Про що ця робота, які основні результати отримано, ми запитали у доктора фізико-математичних наук, головного наукового співробітника відділу радіофізики твердого тіла ІРЕ Миколи ЧЕРПАКА.
— Миколо Тимофійовичу, результати роботи команди науковців інституту висунуто на отримання премії ім. Б. Патона. Що це за робота, чим важлива ця тема і де застосовуються (чи можуть застосовуватися) наукові результати?
— На премію подано результати, які ми здобули протягом останніх двох-трьох десятиліть. У цю роботу вкладено зусилля, наполегливість і талант багатьох людей. Ми працюємо у науковому напрямку мікрохвильової фізики конденсованих середовищ (тобто твердих тіл і рідин). Мікрохвильова фізика є частиною радіофізики. Зазвичай ми маємо справу з електромагнітними полями, які існують у природі у вигляді коливань або хвиль. Довжини цих хвиль дуже різні. Поясню просто: якщо взяти довгу мотузку й струснути, то мотузкою «побіжить» хвиля, утворяться пагорби й западини. Відстань між цими пагорбами і є довжиною хвилі.
Коли ми говоримо про мікрохвильові явища в електродинаміці, то маємо на увазі електромагнітні хвилі, відстань між якими може бути від міліметрів до метрів. А мікрохвильовий відгук — це реакція середовища, яке взаємодіє з цими хвилями.
Ми досліджували саме цей діапазон — від міліметра до кількох метрів. Чому? Тому що ці дослідження дають нам дані про властивості матеріальних середовищ. Це потрібно, щоб пізнавати світ, у якому ми живемо. Ці знання також потрібні для створення мікрохвильових пристроїв чи систем, без яких не обійтися у сільському господарстві, промисловості, науці, медицині, телекомунікації й, звісно, в «оборонці».
«До відсутності опалення ми звикли. А прилади — ні»
— Розкажіть, будь ласка, про вашу наукову команду. Як вдається працювати під обстрілами?
— Працювати непросто.росіяни весь час обстрілюють місто, майже всі вікна в корпусі, де ми працюємо, були розбиті.Бувало, що тільки встановимо нові склопакети, а через місяць-два знову неподалік б’є ракета.Було пошкоджено і деяке устаткування.
До обстрілів ми звикли, маємо укриття, але скажу чесно: повітряні тривоги у Харкові лунають так часто, що, якщо весь час сидіти в сховку, то не залишиться часу ні на що інше.
Звикли ми й до відсутності опалення. Але, на жаль, до холоду не звикли прилади. Електронна апаратура для досліджень та чисельного моделювання, наприклад, працює, коли температура значно вища за нульову (приблизно 18 °C). І ми зараз думаємо, як встигнути до заморозків провести всі необхідні вимірювання.
У нашій команді вісім науковців, які складають дві групи — теоретиків і експериментаторів.
Семеро — з ІРЕ (Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України) і один із Каразінського університету. З інституту — Юрій Аверков, Олександр Баранник, Олексій Губін, Олександр Лавринович, Юрій Прокопенко і я. З Каразінського університету — Валерій Шкловський. У нашій команді був і видатний учений Володимир Яковенко, який, на жаль, помер під час війни.
До речі, саме під керівництвом Володимира Яковенка у нашому інституті виникла відома наукова школа. Її представники — Юрій Аверков і Юрій Прокопенко виконали важливу частину роботи, про яку йдеться. Вони досліджували взаємодію заряджених частинок з твердотіловими структурами.
Для читачів, які не є спеціалістами з радіофізики, поясню, що заряджені частинки тут — це електрони. Коли електрон «пролітає» біля поверхні твердого тіла (металу, напівпровідника, діелектрика тощо), в останньому виникають електромагнітні поля, які починають взаємодіяти з електроном. Науковці досліджували особливості цієї взаємодії.
Ця школа відрізнялась тим, що вони проводили дослідження, так би мовити, з перших принципів, тобто з мінімальним числом припущень. Вони встановлювали особливості взаємодії полів так, щоб не залишалося жодних сумнівів.
Ці науковці отримали низку важливих результатів, проаналізували їх, і зараз можна стверджувати, що утворився новий розділ сучасної теоретичної електродинаміки.
Читачі видання можуть запитати: чому це важливо? Відповім: тому, що знання особливостей, які виникають у твердотілових структурах під час взаємодії полів і заряджених частинок, потрібні для створення нових джерел мікрохвильового випромінювання.
Декілька років тому один із фахівців цієї групи, Юрій Прокопенко, разом з іншими вченими побудували лабораторний стенд, який показував, що коли багатопучковий потік електронів взаємодіє з квазіоптичним діелектричним резонатором (КДР) (про нього скажу кілька слів пізніше), то утворюються автоколивання. На цьому ефекті в майбутньому можна побудувати нове джерело мікрохвильового випромінювання.
Для пояснення цього ефекту і для його опису були використані результати, які ці дослідники отримали під час теоретичних досліджень.
Ці результати — велика наукова удача. Зокрема, вони показали, що мікрохвильове випромінювання можна отримати й у терагерцовому діапазоні (тобто в діапазоні з довжиною хвиль у десяті частки міліметра). Терагерцовий діапазон дуже важливий для багатьох напрямів досліджень. Надійних джерел терагерцового випромінювання поки що немає, сподіваємося, наші результати стануть у пригоді для їхнього створення.
Камертони для музики й фізики
— Однією з основних частин вашої роботи є дослідження властивостей надпровідників. Про відкриття (чи невдачі) у цій темі світові ЗМІ пишуть на перших шпальтах. Якщо надпровідність виникатиме не тільки за дуже низьких температур, а й за «плюсових» (за шкалою Цельсія), люди зможуть широко використовувати квантові комп’ютери, передавати електроенергію без втрат тощо. Розкажіть, будь ласка, чого вдалося досягнути вашій команді?
— Відкриття високотемпературної надпровідності (ВТНП) відбулося у 1986–1987 роках. Надпровідність мене дуже цікавила. Я подумав, порадився з Володимиром Яковенком, і вирішив працювати у цій темі.
У той час в ІРЕ досліджували квазіоптичні діелектричні резонатори (КДР). Знаєте, що таке камертон у музиці? Це еталон висоти звуку, якщо по ньому стукнути спеціальним молоточком, він видає акустичні коливання на певній частоті. Резонатори — це аналоги камертона.
Вони можуть накопичувати мікрохвильову енергію та мають характеристику, яка називається добротністю резонатора. Ця величина може змінюватися від сотень до мільйонів одиниць. Якщо резонатор під’єднати до мікрохвильової мережі, він накопичує енергію, якщо від’єднати, то коливання «згасатимуть». Якщо від відімкнення до згасання відбудеться тисяча коливань, то добротність дорівнюватиме тисячі. Так ось, що вища добротність, то більша точність вимірювання електромагнітних характеристик речовин і вища чутливість.
КДР, про які я сказав вище, вирізняються дуже високими характеристиками добротності. Можна сказати, що вони є рекордсменами з добротності.
До відкриття високотемпературної надпровідності ці резонатори були вже відомі й використовувалися на практиці в деяких мікрохвильових приладах. За межами України навіть зазначалося, що КДР, а надто виготовлені з монокристалічного сапфіру, могли б використовуватися для мікрохвильових імпедансних досліджень нових надпровідників. Але ці міркування не були реалізовані.Була не завершеною електродинаміка КДР з неоднорідностями, якими і є об’єкти дослідження. Окрім того, частотний спектр коливань у них досить складний. Щоб скористатися їх перевагами, необхідно було досконало опанувати методологію визначення спектра КДР, ідентифікації типів хвиль (або коливань) у них і виокремлення оптимальних типів для застосування.
І саме в ІРЕ НАНУ була виконана потрібна робота й створена спеціальна техніка вимірювання на основі цих резонаторів та проведені дослідження поверхневого імпедансу низки надпровідників.
Зазначу, що надпровідність — це квантове явище протікання електричного струму у твердому тілі без втрат, тобто з нульовим електричним опором тіла. Коли провідник переходить у надпровідний стан, зникає опір постійному електричному струму.
До відкриття ВТНП були відомі низькотемпературні надпровідники, які мали стан надпровідності за температур близько мінус 269 °C (стан рідкого гелію).
А високотемпературні надпровідники можуть бути у надпровідному стані за мінус 196 °С (температурі рідкого азоту) і вище. Проводити експериментальні дослідження за такої температури вже легше, і перспективи використання таких надпровідників ширші. Щоправда, розкриття природи цього явища виявилося проблемою надскладною.
На основі сапфірових КДР ми створили вимірювальну техніку, яку можна було використовувати для дослідження як низько-, так і високотемпературних надпровідників. Теоретичну електродинаміку цих резонаторів розробляв Юрій Прокопенко, а експериментальні дослідження і чисельне моделювання резонаторів, переважно тих, що не піддавалися теоретичному аналізу, виконував Олександр Баранник. Про деякі з отриманих результатів йтиметься нижче.
Про загадковий залишковий опір
— В описі роботи зазначено, що команда у співавторстві з колегами зі США та Китаю отримала важливі результати в дослідженні імпедансних властивостей нових нетрадиційних надпровідників. Хто працював у цьому напрямі й, якщо говорити коротко, про що йдеться?
— Дослідження виконували Олександр Баранник і я (у деяких випадках спільно з колегами із закордонних установ). Ми отримали чимало цікавих результатів і виявили низку закономірностей. Не буду заглиблюватися в усі технічні подробиці, зупинюся на деяких.
Хочу пояснити, що імпеданс — це міра нездатності матеріалу проводити змінний електричний струм. Поняттям імпедансу користуються тоді, коли мають справу зі змінним (наприклад, мікрохвильовим) струмом (тобто струмом, який змінюється у часі).
У надпровідниках дійсна частина імпедансу (як комплексної величини) дуже мала (і саме це є проблемою під час дослідження). Але якщо ми цей надпровідник використовуємо для створення мікрохвильової техніки, то справді можемо отримати прилади з низьким рівнем втрат мікрохвильової енергії. Це дуже важливо!
Якщо ми знаємо імпеданс і можемо вимірювати його (наприклад, за допомогою діелектричних квазіоптичних резонаторів), то можемо перейти до комплексної провідності. А це вже фізична характеристика.
Природа низькотемпературної надпровідності на сьогодні майже повністю вивчена, а природа високотемпературної надпровідності, зокрема в надпровідниках з іонами Fe — ще ні. Тому важливі всі дослідження, зокрема імпедансні.
Знання, які ми здобули, дають можливість виходити на дослідження властивостей електронної системи в надпровідниках.
Ми дослідили близько десяти надпровідників і виявили цікаві особливості. Хочу зупинитися лише на одній з них.
У звичайних металах мікрохвильове поле проникає на певну глибину (так званий скін-шар). У надпровіднику ця глибина проникнення поля — десь близько мікрона. Так ось, теорія говорила, що якщо знижувати температуру до нуля, то поверхневий опір також прагнутиме до нуля. Але дослідження показали, що залишається певна величина поверхневого опору, навіть за нульової температури. Вона дістала назву надлишкового поверхневого опору (Rres).
Природа цього явища невідома. І ми вирішили, що буде цікаво визначити, за яким законом змінюється ця величина залежно від частоти для високоякісних плівок ВТНП типу YBa2Cu3O7-d. І коли ми цю залежність отримали, то отримали закон, що опір Rres є пропорційним частоті мікрохвильового поля f в ступені 3/2, тобто f3/2. Добре відомо, що у надпровідникові поверхневий опір за температури вище абсолютного нуля (0°K=-273°C) підкоряється закону f2, а в нормальному металі поверхневий опір пропорційний частоті в ступені одна друга f1/2. А втрати енергії в діелектриках майже лінійні з частотою.
Для нефахівців ці міркування, можливо, здаються неважливими. Але це справді важливі наукові результати, бо вони визначають природу середовища, з яким взаємодіє електромагнітне поле.
Що ж за матеріал ми отримуємо за нульової температури? Поки що це невідомо, це потрібно з’ясувати. Потрібні вимірювання на інших надпровідниках. Це — хороша задача на найближче майбутнє.
Пристрої, які фіксують один фотон
— Один з наукових результатів, здобутих під час досліджень, має рекордно високу зацікавленість науковців і понад 150 (на сьогодні уже приблизно 200) цитувань. Що це за результат?
— Ідеться про дослідження глибини проникності залежно від товщини надпровідних плівок ніобію. Це дослідження виконав Олексій Губін спільно з німецькими колегами.
Робота показала, що характеристика надпровідника залежить від товщини плівки. До речі, під час дослідження вчений використав і резонаторний, і нерезонаторний методи.
Скажу кілька слів про нерезонаторний метод. По металевому хвилеводу (це ось така прямокутна трубка), поширюється електромагнітна хвиля. Хвилевід можна перекрити плівкою. Якщо плівка тонка, то хвиля через неї пройде, і можна буде визначити, як зменшується інтенсивність цієї хвилі й змінюється її фаза. Знаючи ці зміни, можна знайти імпеданс плівки. А якщо знати імпеданс, то можна знайти й глибину проникнення.
Олексій Губін використав такий підхід, зробив заміри й порівняв з теоретичною залежністю від товщини для глибини проникнення.
Ця робота, на перший погляд, не надто складна, але вона привернула велику увагу в науковій спільноті. Отримані результати стали у пригоді для створення чутливих приймальних пристроїв, які працюють на дуже коротких хвилях. Ці пристрої з надпровідними плівками ніобію дають змогу фіксувати навіть один фотон (фотон — елементарна квазічастинка чи «мінімальна порція світла»).
Це важливо для створення дуже точних мікрохвильових пристроїв, необхідних у багатьох галузях науки й техніки.
Захистити радіолокатори
— Які ще особливості та ефекти науковці ІРЕ виявили вперше?
— Олексій Губін і Олександр Лавринович з моєю участю вперше виявили ефект переходу мікрохвильової лінії передаванняна основі ВТНП плівкиз нелінійним імпедансом у сильно дисипативний стан (тобто стан, близький до стану нормального провідника). Це важливий ефект, який може допомогти зберегти дорогі радіолокатори чи радіолокаційні антени.
Спробую пояснити це читачам максимально просто. Поверхневий імпеданс провідника або надпровідника — це характеристика (константа). Але з’ясувалося, що імпеданс може залежати від інтенсивності мікрохвильового поля.
Якщо по лінії передавання (а коли ми працюємо з напівпровідниками, то це мікросмужкова лінія) пропустити мікрохвильовий сигнал і збільшувати його інтенсивність, то втрати енергії зростатимуть. А сигнал на виході буде зменшуватися.
Цей ефект був відомий. А декілька років тому в американському журналі було надруковано статтю, що цей ефект можна використати для обмеження сигналу.
Уявімо, що у вас є радіолокатор або радіоастрономічна антена, на виході якої розташовано високочутливий приймач. Якщо цей приймач вловить надто сильний сигнал, наприклад, сигнал ворожої антени (несанкціоноване втручання) чи удар блискавки, він може вийти з ладу, тому що найбільш чутливі елементи приймача зазвичай не розраховуються на такі сильні сигнали й зазнають руйнування.
Від таких сигналів приймач необхідно захищати. Важливо мати такий пристрій, який працюватиме автоматично і, коли небезпека зникне, вимикатиметься.
Учені, які надрукували статтю в американському журналі, показали, що такий прилад можливо створити, але не повідомили, що зуміли створити його самі.
Ми вирішили взятися за ці дослідження. Хоча й не можна сказати, що нам подобалася ця робота, лінії передавання часто виходили з ладу (згоряли).
І комусь спало на думку: подивімося, що буде, якщо пропустити невеликий постійний струм лінією передавань. Виявилося, що за певних температур, рівні сигналу і значенні струму, рівень передавання переходить із надпровідного стану в сильно дисипативний стан. Інакше кажучи, інтенсивність сигналу зменшиться у сотні й тисячі разів. І приймач буде врятовано.
Практичне значення застосування цього ефекту складно переоцінити, наприклад, у радіоастрономії. І, знову ж таки, в «оборонці».
Пристрій для аналізу малих об’ємів рідин
— Як видно з опису роботи, науковці ІРЕ розвинули також новий напрям у мікрохвильовій діелектрометрії рідин малих об’ємів (менше ніж один мікролітр). Що це за напрям? Чому він важливий?
— Для різних резонаторів є свої ніші використання. У міліметровому діапазоні працювати зі звичайними діелектричними резонаторами незручно, тут стають у пригоді квазіоптичні діелектричні резонатори, про які ми вже говорили.
Квазіоптичний резонатор — це резонатор, розміри якого набагато перевищують довжину хвилі. У ньому «збуджуються» хвилі, котрі називають хвилями «галереї, яка шепоче». Назва хвилі прийшла з акустики. Тобто хвиля починає «бігти» біля циліндричної поверхні, яка є межею поділу двох діелектричних середовищ, внутрішнього з більшою діелектричною проникністю (наприклад, сапфір) і зовнішнього з меншою проникністю (наприклад, повітря), потрапляє на криву цієї поверхні, зазнає повного внутрішнього відбиття й поширюється далі.
З’ясувалося, що використання цих резонаторів є доцільним для розвитку нового напряму в діелектрометрії рідин.
Помітили це випадково. Побачили, що, якщо падає крапля води, вона змінює властивості резонатора. Почали досліджувати, і врешті-решт створили сенсор (датчик). Не буду описувати його будову (про це можна прочитати в описі роботи), скажу лише, що за допомогою цього сенсора можна вимірювати дуже малі об’єми рідини (менше ніж один мікролітр).
Це важливо, коли рідини дуже дорогі або коли йдеться про кров чи спинномозкову рідину людини.
Олексій Губін і Олександр Баранник виконували дослідження в Німеччині й разом з німецькими колегами за допомогою цього сенсора виміряли майже всі амінокислоти (рідини, важливі для забезпечення життєдіяльності організму).
Був створений лабораторний макет діелектрометра. Це дуже точний і чутливий пристрій, який вимірює комплексну діелектричну проникність (КДП). Його використовують для вимірювання діелектричної проникності біохімічних рідин.
— До результатів, які подано на премію імені Бориса Патона, ви йшли багато років. Які моменти в роботі запам’яталися найбільше?
— Таких моментів було чимало. Розкажу про один з них. Коли ми тільки взялися до роботи, то вирішили створити установку, за допомогою якої можна вимірювати поверхневий опір надпровідної плівки. Намір був такий: отримати метод і техніку прямого вимірювання поверхневого опору плівки шляхом вимірювання основних фізичних величин Фізичної системи одиниць (наприклад системи СІ). Отже, Юрій Прокопенко отримав математичне співвідношення, куди увійшли висота і діаметр резонатора, частота і добротність. Ми вирішили взяти мідь (поверхневий опір якої відомий) і перевірити, чи все збігається. Поміряли. Не збігається!
Почали шукати помилку. Перевірили теоретичні викладки — все правильно. Декілька разів перевірили вимірювання. Результати вимірювання добре узгоджувалися між собою, але вперто не узгоджувалися з табличним значенням провідності міді. А потім у літературі знайшли згадку, що властивості міді можуть змінюватися залежно від обробки (наприклад, способу відрізання зразка).
Ми ще раз взяли зразки міді й відпалили їх у водні. Після такої простої процедури все збіглося!
Тому недаремно в статтях нині вказують: як був синтезований, оброблений зразок, які прилади використовували для дослідження.
Звісно, це не єдина «науково-детективна» історія, яка сталася за роки роботи. Нині згадуємо ці історії з усмішкою. Кожного разу «камінь спотикання» допомагав знайти нові, неторені шляхи досліджень.
Бажаємо колегам, які постають перед труднощами, не зупинятися, а пробувати розв’язати «незручну» задачу знову і знову. З помилок, сміливості, наполегливості й складаються наукові здобутки.
Спілкувалася Світлана ГАЛАТА
Детальний опис результатів роботи можна прочитати за лінком: http://surl.li/vyjtci