"Физика - основа всего": лауреат программы ITMO Fellowship Кирилл Бронников о Ми-тронике, резонансных эффектах и фотонике будущего

По данным Future Market Insights, в 2023 году объём мирового рынка фотоники превысил $900 млрд, а через десять лет составит более $1,6 трлн. Уже сегодня фотонику активно применяют в информационных и медицинских технологиях, промышленности, квантовых вычислениях. О том, какие перспективы открывает эта область и как изучают фотонику в ИТМО, рассказал лауреат программы ITMO Fellowship по треку Postdoc Кирилл Бронников. В 2023 году он приехал в ИТМО из Новосибирска для работы над проектом «Развитие диэлектрической Ми-троники».

new2023 10 20 p1 Bronnikov K

Кирилл Бронников. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

— Почему вы вообще решили пойти в науку?

— Я с детства хотел заниматься чем-то, связанным с наукой и техникой. Твёрдо решил, что хочу быть учёным, в 9–10 классе. Выбирал из нескольких направлений: политология, экономика, физика. Решил, что в политологии и экономике при желании смогу разобраться и сам, а вот изучить самостоятельно физику будет очень трудно. На мой взгляд, любые эффекты, которые мы наблюдаем в мире, сводятся к физическим явлениям. Даже в основе химии и биологии лежит физика — она описывает поведение различных частиц, молекул и атомов на основе известных физических взаимодействий: электростатического, притяжения и отталкивания, ядерных сил, гравитации. Физика — основа всего.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее, с каким научным направлением вы работаете?

— Раньше, в Новосибирске, я занимался лазерной модификацией поверхности материалов, в частности формированием лазерно-индуцированных периодических структур. По этой теме я защитил кандидатскую диссертацию и сейчас продолжаю дистанционно сотрудничать с Институтом автоматики и электрометрии СО РАН, где работал раньше.

В ИТМО я хотел попробовать себя в другом направлении. Меня заинтересовали исследования резонансных эффектов в диэлектрических кольцевых резонаторах в группе Михаила Лимонова. Резонансы в таких структурах позволяют усилить нелинейные эффекты для связи электромагнитного излучения и вещества, а также уменьшить размер устройств фотоники и сохранить их характеристики. По сути, кольцевые резонаторы — это диэлектрические антенны, которые мы умеем настраивать под конкретные задачи.

По большей части я занимаюсь численным моделированием этих резонаторов, спектров рассеяния, расчётом электромагнитных полей. В основном работаю в программе для решения физических задач COMSOL Multiphysics.

Эти исследования — часть проекта по развитию диэлектрической Ми-троники. Так называют новое направление фотоники, в котором для получения различных оптических эффектов используются резонансы Ми, возникающие в объектах, сравнимых с длиной волны. Эти резонансы наблюдаются в диэлектрических частицах и не тратят энергию на нагрев, как обычно это происходит в металлических резонаторах.

У нынешней электронной компонентной базы есть ограничения в скорости работы: мы не можем подняться выше определенных частот в процессорах из-за физических ограничений. Поэтому наши надежды связаны с фотоникой, которая позволит создать вычислительные элементы на основе диэлектрических резонаторов. Переход от электрических сигналов к световым обещает увеличить быстродействие устройств в тысячи раз. Мы стремимся развить это направление и считаем, что диэлектрическая Ми-троника может стать его основой.

new2023 10 20 p2 Bronnikov K

Кирилл Бронников. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

— В чём практическая значимость ваших исследований?

— В перспективе эти работы помогут создавать элементы будущей фотоники, которая должна прийти на смену электронике в виде оптических вычислительных и коммуникационных систем. Сейчас у нас гибрид: есть компьютеры с электронными компонентами, а есть система связи на оптоволокне, где световые сигналы передают информацию на высокой скорости с минимальными потерями. Хотелось бы иметь единую систему, в которой и коммуникация, и обработка информации с вычислениями будут оптическими.

Например, чтобы соединять каналы связи и проводить вычисления, нужно обрабатывать сигналы с разными частотами. Для этого можно отправлять эти сигналы через оптоволокно в виде широкого спектра, который содержит много длин волн одновременно. Тогда каждая длина волны станет несущей для конкретного канала связи и оптические волны не будут взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому много абонентов смогут параллельно общаться друг с другом. Чтобы разделить эти сигналы в момент приёма, используются высокоселективные частотные фильтры.

Такой принцип уже реализован в современных оптоволоконных системах передачи данных. Однако размер подобных оптических компонентов сегодня составляет десятки-сотни микрометров. По сравнению с тем, чего удалось достичь в электронике (десятки нанометров), это слишком много. При этом, если использовать оптические компоненты меньшего размера, то эффективность их работы значительно упадет. Это одна из причин, по которой затягивается переход от электронных к полностью оптическим вычислительным устройствам.

Помочь решить эту проблему может использование особых резонансов в диэлектрических частицах, которые называются «связанные состояния в континууме». Они позволяют получить высокую добротность резонанса при размерах объекта порядка длины волны и снизить размер оптических компонентов. Применительно к задаче фильтрации различных частот это поможет создать высокоселективные фильтры существенно меньших размеров.

Также результаты наших исследований можно будет использовать при работе с лазерами на микромасштабах. Допустим, у нас есть лазер, работающий на длине волны ближнего инфракрасного диапазона, а нам требуется излучение видимого диапазона. Можно купить или сделать новый лазер с необходимыми параметрами, но, во-первых, это стоит дорого, а, во-вторых, подходящих решений может вообще не быть для нашей длины волны. Поэтому проще и дешевле пропустить излучение через кольцевой резонатор, сделанный из нелинейного материала, чтобы изменить частоту и получить видимый свет. При этом эффективность такого преобразования для кольцевого резонатора будет значительно выше, чем если бы мы использовали нелинейный материал произвольной формы.

new2023 10 20 p3 opticheskaya svyaz

Оптическая связь между кольцевым резонатором и волноводом. Источник: wikipedia.org

— Как вы узнали об ИТМО и программе ITMO Fellowship?

— Мы с семьёй решили переехать в Петербург, и я стал искать место, где мог бы продолжить заниматься наукой. ИТМО оказался самым подходящим вариантом по моему направлению: здесь сильные научные группы, передовые исследования. Я узнал об университете от коллег со своего бывшего места работы — Института автоматики и электрометрии в Новосибирске. Конкретно о программе ITMO Fellowship мне рассказал физик Алексей Кохановский, который уже работает по этой же программе в ИТМО.

— И какие впечатления от нового места работы?

— Мне очень нравится рабочая среда, многое сделано для отдыха сотрудников. В телеграм-каналах, на которые я успел подписаться, вижу много объявлений о разных вариантах досуга. Кроме того, здесь хорошие рабочие условия: мощные компьютеры для вычислений, есть переговорные комнаты, удобная цифровая среда по бронированию помещений.

— Планируете ли вы коллаборации с другими научными группами или университетами?

— Наша теоретическая группа сотрудничает с экспериментаторами-спектроскопистами, которые работают в микроволновом диапазоне, но мы ищем коллаборации и с другими группами Нового физтеха ИТМО — у нас уже есть варианты совместной работы. В частности, можно использовать наши кольцевые резонаторы, чтобы усилить нелинейные эффекты. Благодаря этому на основе наших кольцевых резонаторов и перовскитных материалов группы Сергея Макарова мы надеемся создать элементы фотоники с повышенной селективностью и чувствительностью.

— Каким вы видите результат вашей работы в ИТМО?

— Мы хотим определить условия, в которых возникают высокодобротные резонансы в кольцах, исследовать эти зависимости, описать их качественно и количественно, понять их причины и применить эти знания на практике: например, на перовскитах. Используя перовскитные материалы, мы планируем настроить наши кольца на определённые резонансы. Это позволит повысить эффективность нелинейных процессов — например, генерации гармоник и фотолюминесценции. В перспективе это позволит создать более чувствительные и эффективные сенсоры, нанолазеры, фотодетекторы для применений в биосенсинге, компактных устройствах фотоники.

Кокорина Елизавета

Источники:

"Физика - основа всего": лауреат программы ITMO Fellowship Кирилл Бронников о Ми-тронике, резонансных эффектах и фотонике будущего – Университет ИТМО (news.itmo.ru/ru), Санкт-Петербург, 20 октября 2023.

"Физика - основа всего": лауреат программы ITMO Fellowship Кирилл Бронников о Ми-тронике, резонансных эффектах и фотонике будущего – Seldon.News (news.myseldon.com), Москва, 20 октября 2023.

Материал в формате pdf