Новий двовимірний матеріал графен було відкрито лише у 2004 році. Цей «наймолодший» матеріал міцніший за сталь, може розтягуватися, чудово проводить електричний струм. Ці характеристики дозволяють зробити прорив у найрізноманітніших сферах – від електроніки до будівництва.
Нові мікро та нано лазери з резонансними графеновими елементами моделює команда науковців харківського Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України. Їх проєкт «Електромагнітне моделювання мікро та нано лазерів з резонансними графеновими елементами, на порозі стаціонарного випромінювання» переміг у конкурсі «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» Національного фонду досліджень України і до початку російського вторгнення в Україну отримував грантове фінансування Фонду.
Чи в безпеці харківські науковці сьогодні? Чи вдається їм продовжувати дослідження? Що встигли зробити у проєкті до початку повномасштабного вторгнення? А також – для яких галузей науки і економіки важливі результати цієї роботи? Ці запитання ми поставили керівнику проєкту, старшому науковому співробітнику відділу квазіоптики ІРЕ НАН України Тетяні Зіненко.
Тетяна Леонідівна розповіла, що через інтенсивні обстріли більшість команди, як і тисячі інших харків’ян, була вимушена виїхати з міста.
– Під час обстрілів наш інститут було сильно пошкоджено, – зазначила науковиця. – Було вибито майже все скло у вікнах, розмерзлися труби опалення. Наступної зими опалення в установі також не буде.
На сьогодні в Харкові залишається лише один член команди. Три виконавці-чоловіки та дівчина виїхали до західних областей України (вони продовжують працювати дистанційно). Два члени команди нині за кордоном і теж працюють дистанційно, зокрема, виконують дослідження за проєктом.
Тетяна Леонідівна розповіла, що тема проєкту – надзвичайно важлива і перспективна, адже вивчення і вдосконалення лазерів є одним з «проривних» напрямів фізичних та інженерних наук. Роботу з моделювання порогових умов для сталого випромінювання власних мод мікро-резонаторних лазерів науковці почали у 2004 році. Вчені мають чудові результати, статті у топ-журналах, премії міжнародних наукових товариств. «Але отримати конкурсне фінансування в Україні ми кілька років не могли, – ні в НАН України, ні в МОН», – зазначила науковиця.
Тетяна Зіненко пояснила, що електронні схеми в системах зв’язку та обробки інформації поступово відходять у минуле, їх замінюють оптичні та терагерцеві інтегральні схеми. І саме лазери (тобто мікро та нанорозмірні джерела світла) займають важливе місце у нових оптичних системах.
Найважливішими елементами будь-якого лазера є відкритий резонатор та активна зона. Мініатюрні резонатори виготовляють з благородних металів, які здатні підтримувати так звані поверхневі плазмонні моди. Але всі благородні метали мають суттєві втрати у видимому та інфрачервоному діапазонах хвиль. Через це пороги стаціонарного випромінювання плазмонних мод досить високі. Знизити ці пороги може заміна металевих елементів на елементи з графену.
– Важливо, що графен здатен підтримувати плазмонні моди навіть у терагерцевому діапазоні хвиль, – продовжила розповідь науковиця. – А це означає, що його можна використовувати у наноприладах та наносистемах саме цього діапазону.
Вартість технологій з виготовлення цих приладів і систем поки що надзвичайно висока. Зменшити витрати на розробку та виробництво допоможе попереднє математичне та електродинамічне моделювання. Це дуже важливо, адже зайвих грошей, особливо нині, під час війни, в України немає.
На сьогодні світова наука робить лише перші кроки у теоретичних дослідженнях власних мод нанорозмірних графенових резонаторів та лазерів і часто-густо рухається «наосліп». Науковці, які виконують проєкт, упевнені, що їхні результати дозволять суттєво просунутися вперед у цих дослідженнях.
До початку повномасштабного вторгнення науковці встигли вивести усі основні рівняння для задач технічного завдання проєкту. У 2020-2021 роках дослідники вивчали задачі розсіювання і поглинання електромагнітних хвиль видимого, інфрачервоного та терагерцевого діапазонів на діелектричних нанонитках з графеновими оболонками; на парах таких нанониток; на нанонитках з частковим графеновим покриттям; на діелектричних дисках з графеновими дисками на поверхні; а також на решітках з графенових стрічок на діелектричних підкладках. «Ці дослідження мають велике самостійне значення у фотоніці і оптиці терагерцевих хвиль. Водночас отримані результати полегшують подальше дослідження детермінантних рівнянь для лазерних задач на власні значення, які ми планували на 2022 рік», – додала співрозмовниця.
За результатами досліджень у 2020-2021 роках науковці опублікували сім статей у міжнародних журналах з 1-го та 2-го квартилів. За воєнні місяці команда проєкту у журналах цього ж рівня опублікувала ще чотири статті. Наприкінці вересня два аспіранти з цього колективу отримали тревел гранти і представили свої результати на Європейській мікрохвильовій конференції у Мілані. І це справді блискучий результат харківських учених!
До речі, команда, яка виконує проєкт, дуже молода. На момент початку роботи чотирьом з семи виконавців не було й 35 років.
– Незважаючи на воєнні випробування, наша команда залишається згуртованою, ми працюємо й підтримуємо зв’язок один з одним, – додала Тетяна Леонідівна. – Сподіваємося, що у наступному році НФДУ отримає фінансування і ми зможемо повністю закінчити проєкт. Його результати важливі і для науки, і економіки. Більш того, їх, при тісній співпраці з союзниками, можна буде використати і в оборонних технологіях.
Світлана ГАЛАТА
