На тридцатом новогоднем семинаре учёные Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Института цитологии и генетики СО РАН, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН рассказали о ярких достижениях мировой науки в ушедшем году.

Несколько докладчиков выбрали темой сообщений Нобелевские премии, кроме того слушатели узнали о способностях нейросетей, достижениях медиков и биологов в области трансплантации человеческих органов, химеризме, взрывных, в прямом смысле, полупроводниковых соединениях и прочих успехах научного мира.

Деятельность ИФП СО РАН в 2023 году охарактеризовал директор института академик РАН Александр Васильевич Латышев. Он отметил, что институт провёл несколько крупных конференций, школ молодых учёных, выездное заседание Объединённого учёного совета СО РАН по нанотехнологиям, совещание «Синергия промышленности и науки» при участии мэрии Новосибирска, а на Общем собрании СО РАН были представлены результаты крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», выполняемого несколькими НИИ и вузами под руководством ИФП СО РАН:

«В числе важнейших достижений присуждение премии им. А.Ф. Иоффе главному научному сотруднику ИФП СО РАН доктору наук Матвею Вульфовичу Энтину. Кроме того, деятельность ученых Института была отмечена почётными знаками и благодарностями Минобрнауки России и Российской академии наук.

Знаковой стала победа в двух “промышленных” конкурсах РНФ — поддержаны проекты заведующего лабораторией ИФП СО РАН доктора наук Александра Ивановича Никифорова и его команды.

Научные результаты исследователей института опубликованы в высокорейтинговых журналах: среди них Nature, Nature Photonics, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters.

В 2023 году в ИФП СО РАН прошло пять защит на соискание степени кандидата наук и одна — на соискание докторской. Четверо молодых сотрудников получают стипендии Президента РФ, один — обладатель Президентского гранта и трое — руководят молодежными грантами РНФ. Кроме того, сотрудники института участвуют в мероприятиях, связанных с популяризацией науки ― это лекции и экскурсии на фестивале Nauka 0+, Дне российской науки и других».

Тысячекратный рост производительности суперкомпьютеров каждые 10 лет

Академик РАН Александр Леонидович Асеев поделился примечательными событиями в области микроэлектроники, приведя ключевые тезисы из докладов президента РАН академика Геннадия Яковлевича Красникова на форуме «Микроэлектроника» и общем собрании РАН: «Прогресс в области освоения нанометровых размеров транзисторов вместе с переходом к новым конструкциям транзисторов, новым технологиям их расположения, применении новых материалов и совершенствовании нанолитографических машин приведет к преодолению ограничений, накладываемых законом Мура. Произойдет многократное увеличение счётной мощности полупроводниковых микросхем. Ожидается тысячекратный рост производительности суперкомпьютеров каждые 10 лет до зеттафлопс в 2035 году».

Цитируя президента РАН, Александр Асеев добавил, что создание квантовых фотонных вычислителей не заменит классическую электронику и суперкомпьютеры, но сильно расширит их возможности. Во-первых, по производительности и защищённости вычислений при применении квантовых технологий, во-вторых в снижении энергетических затрат при применении фотонных технологий.

В новый год без Новой физики?

Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик РАН Александр Евгеньевич Бондарь рассказал о работе специалистов Института ядерной физики, ставящей под вопрос существование Новой физики, то есть частиц и явлений, не описываемых Стандартной моделью: «Измерение, сделанное в ИЯФ СО РАН и опубликованное в этом году, кардинально переворачивает всё представление о нашем понимании и знании вакуума и частиц, возможно, дающих вклад в аномальный магнитный момент мюона. Экспериментальное измерение величины аномального магнитного момента мюона блестяще согласуется с теоретическим расчётом, это говорит о том, что Новой физики мы пока похоже не видим».

Химеры среди нас, а не только в греческой мифологии: муравьи и люди

История, рассказанная заведующим лабораторией генетики развития ИЦиГ СО РАН кандидатом биологических наук Нариманом Рашитовичем Баттулиным, касалась неожиданного фундаментального противоречия в области биологии.

«Хочу поделиться с вами сильным впечатлением этого года: оно связано с химерами и базируется на статье в Science. В ней описаны уникальные организмы — жёлтые сумасшедшие муравьи. Уникальность в том, что их пол определяется не так, как у остальных муравьев, пчёл. У жёлтых сумасшедших муравьев уже на стадии существования всего двух клеток наблюдается смесь разных геномов. Клетки начинают развиваться в муравья, но отдельные “части” сделаны из разных геномов — из материнского и из отцовского.

Это фундаментальное нарушение правил, потому что все многоклеточные организмы строятся из идентичных геномов — одна клетка делится, и в каждой клетке тела одинаковые геномы. Если этого не соблюдать, то клетки начнут друг с другом конкурировать, это приводит к очень неустойчивому состоянию. А жёлтые сумасшедшие муравьи каким-то образом преодолели фундаментальное противоречие», — пояснил учёный.

Он подчеркнул, что у людей тоже выявлен химеризм, такой случай описан в США. Результаты генетического теста, проведённые для матери и её нескольких детей, демонстрировали отсутствие родственной связи. Даже в случае, когда генетический материал для теста был взят незамедлительно после родов, проходивших под контролем врачей.

«Среди людей тоже встречаются химеры — иногда близнецы в утробе матери “сливаются” и получается организм, состоящий наполовину из одних клеток (с одним геномом), а наполовину – из других. В случае с матерью в США учёные выяснили, что она — химера, и в результате были даже сделаны определённые законодательные поправки.

Я хочу всем пожелать почаще встречать в следующем году такие будоражащие воображение случаи и преодолевать даже самые сложные и неразрешимые противоречия», — заключил Нариман Баттулин.

Нобелевская премия завтрашнего дня

Старший научный сотрудник лаборатории нелинейных лазерных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров представил свой прогноз о том, какие исследователи могут получить Нобелевскую премию в недалекой перспективе: «Это Михаил Лукин и Владан Вулетич. Они продемонстрировали точность получения квантовых перепутанных состояний, с ультрахолодными нейтральными атомами выше 99,5% в массиве из шести атомов — выдающееся достижение, открывающее возможности для создания квантовых процессоров на основе нейтральных атомов, которые могли бы конкурировать со сверхпроводящими и ионными процессорами. Михаил Лукин — теоретик, он генерирует основные идеи, как сделать такие квантовые состояния, а команда Вулетича их воплощает экспериментально».

Среди российских учёных Илья отметил лауреата премии «Вызов», молодого сотрудника Физического института академии наук (ФИАН) Илью Семерикова: «Группа исследователей реализовала прототип квантового процессора с четырьмя кудитами или восемью кубитами на ионной платформе. Илье Семерикову 31 год, и он один из самых перспективных исследователей в этой области».

Мистификации на глазах изумленной публики: галлюцинация нейросети

Заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин представил обзор достижений, удостоенных в 2023 году Нобелевской премии по химии.

Премию присудили за открытие и исследование квантовых точек. В докладе А.Г. Милёхина было дано определение этих нанообъектов, описаны области их применения: от микроэлектроники до медицины, способы получения, ограничения и сложности при работе с квантовыми точками. Эти сведения были знакомы собравшимся экспертам в области полупроводниковой электроники и не вызывали вопросов. Внезапно на экране появились имена лауреатов премии по химии: Роджер Янг и Шукачи Хороси.

Но Нобелевский комитет вручил награду совсем другим людям: Мунги Бавенди, Луису Брюсу и Алексею Екимову! Откуда взялась ошибка?

«Это галлюцинация нейросети Gamma, которая за 15 секунд создала всю презентацию! Дело в том, что бесплатная версия нейросети обучена на информации, появившейся до 2021 года, поэтому нейросеть ничего не знала о Нобелевских лауреатах 2023 года, ― ошеломил собравшихся Александр Милёхин. ― Однако выводы нейросети остаются справедливыми: квантовые точки продолжают вдохновлять ученых и представляют собой захватывающую область исследований для будущего», ― завершил он выступление и поздравил собравшихся открыткой в стиле киберпанк, тоже нарисованной нейросетью.

Нобелевские премии ― продолжение

Заведующий лабораторией ИХКГ СО РАН кандидат физико-математических наук Павел Анатольевич Французов отметил Нобелевскую премию по физике за 2022 год и Нобелевскую премию по химии за 2023 год: «Премия по физике была присуждена за эксперименты по проверке нарушения неравенств Белла. Широкая формулировка этого фундаментального научного результата: ни одна локальная теория не может описывать весь комплекс явлений, связанных с квантовой механикой. В частности, не может описывать процесс измерения.

То есть любой измерительный прибор, например, детектор одиночных фотонов, не может быть описан с помощью локальной теории. При этом обычная квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая теория поля ― локальные теории. Это значит, что мы находимся в тяжёлом положении: есть огромное количество явлений в нашей повседневной жизни, с которыми мы каждый день, как учёные сталкиваемся, проводя измерения. И эти явления не описываются ни одной существующей теорией!»

Говоря о Нобелевской премии по химии, Павел Французов подчеркнул, что свойства квантовых точек флуктуируют на больших временных отрезках: секундах, минутах, часах: «Одно из таких интересных свойств, если смотреть на люминесценцию одиночного нанокристалла, — свойство мерцания квантовых точек. Оно было обнаружено будущими Нобелевскими лауреатами, Брюсом и Бавенди в 1996 году». Учёный добавил, что он занимается исследованиями квантовых точек, начиная с 2000 года, и в этом году ему удалось построить модель (первая модель, которая встречается в научной литературе), количественно описывающую процесс мерцания квантовых точек.

Криминалистика, краска для волос и гигантское комбинационное рассеяние света

О прикладной научной работе, имеющей важное значение для идентификации личности, рассказала младший научный сотрудник лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики ИФП СО РАН Нина Николаевна Курусь.

«Один из современных трендов в криминалистике — создание базы данных волос (как окрашенных, так и нет) людей разной этнической принадлежности, разного возраста и пола. Это необходимо, чтобы быстрое сканирование волос (в течение пары минут) позволяло определить потенциального обладателя волоса.

Была сделана исследовательская работа, в которой авторы попробовали дифференцировать признаки, которые отвечают за расовую принадлежность, возраст, пол и признаки, отвечающие за окрашивание. Затем авторы определяли не будут ли вышеперечисленные признаки мешать друг другу [при диагностике]. Исследование выполнялось методом гигантского комбинационного рассеяния света (ГКРС), для этого волосы помещались в раствор, содержащий золотые наночастицы».

В результате выяснилось, что методом ГКРС можно быстро выполнить анализ волос и установить этническую и половую принадлежность человека, его возраст, наличие в волосах красящего состава, тип последнего и даже марку. Присутствие красящего состава на волосах не искажает результаты определения.

«Авторы статьи оптимистично смотрят на перспективы метода гигантского комбинационного развития света, как альтернативы методам секвенирования ДНК в криминалистике», — подытожила Нина Курусь.

Ватикан благословил квантовую механику (наконец!)

Заведующий лабораторией физики низкоразмерных электронных систем ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Дмитрий Харитонович Квон напомнил участникам новогоднего семинара, что, по его мнению, самое выдающееся открытие второй половины двадцатого века — квантовый эффект Холла. Эффект был открыт Клаусом фон Клитцингом в 1980 году, а в 1985 году учёный получил Нобелевскую премию.

«В этом году летом, на конференции по двумерным материалам Клаус фон Клитцинг рассказал, что к нему обратился Ватикан (Папская академия наук) с просьбой рассказать о квантовом эффекте Холла. Вот такое благословение», — поделился Д.Х. Квон и процитировал стих Александра Блока, написанный в 1911 году:

…Ты все благословишь тогда,
Поняв, что жизнь — безмерно боле,
Чем quantum satis Бранда воли,
А мир — прекрасен, как всегда.

Два человека и пришелец

Доктор физико-математических наук Вадим Михайлович Ковалев, заведующий лабораторией теоретической физики ИФП СО РАН, рассказал об учёных, чьими достижениями он восхищён, и о космическом пришельце.

«Мы поздравляем сотрудника нашей лаборатории Матвея Вульфовича Энтина ― лауреата премии им. А.Ф. Иоффе, которая была присуждена за цикл работ “Теория фотогальванического эффекта в средах без центра инверсии”. Это не один эффект, а большое направление, внутри которого существует множество разных механизмов и эффектов. Но неисчерпаемость фотогальванического эффекта в том, что он вышел даже за рамки полупроводниковых материалов, недавно мы показали, что он может существовать в сверхпроводниках».

Второй учёный, о котором упомянул Вадим Ковалев: Алексей Старобинцев, физик-теоретик, один из основоположников теории ранней Вселенной с де-ситтеровской (инфляционной) стадией.

«Известный факт: чёрные дыры излучают и испаряются, и открытие этого факта почему-то все приписывают Стивену Хокингу. На самом деле, об этом Хокингу (когда тот был в Москве) сообщил А. Старобинский, он как раз окончил университет и вместе со своим научным руководителем Я. Б. Зельдовичем убедил Хокинга, что в соответствии с принципом неопределённости квантовой механики вращающиеся чёрные дыры должны порождать и излучать частицы».

Космический пришелец 2023 года по версии Вадима Ковалева ― субатомная частица «Аматэрасу» с огромной энергией: «244 квинтиллиона (десять в восемнадцатой степени) электрон-вольт: в тридцать миллионов раз большая энергия у аматэрасу, чем у частиц на Большом адронном коллайдере. Аматэрасу обнаружили с помощью телескопа “Array” участники международного проекта, включающего группы исследовательских и образовательных учреждений Японии, США, России, Южной Кореи и Бельгии», ― добавил исследователь.

Взрывоопасные полупроводники

О новых полупроводниковых материалах 2023 года слушатели узнали от заведующего лабораторией физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктора физико-математических наук Владимира Павловича Попова. Один из них ― нитрид углерода, с уникальными свойствами, теоретики предсказывали его твердость даже выше, чем у алмаза. Но вырастить его не так легко. «Большая команда европейских исследователей (где много бывших россиян) все же вырастили нитрид углерода, получив сразу четыре его фазы, включая тетрагональную и гексагональную. Для этого использовали обычные алмазные наковальни, в которых с помощью нагрева лазером создавалась температура свыше двухсот градусов, а давление достигало от 130 до 80 гигапаскалей. Когда давление и температуру снижали, полученные соединения оставались стабильными при обычных условиях».

Выяснилось, что выращенный таким образом нитрид углерода действительно близок по твёрдости к алмазу, и кроме того: «Нитрид углерода относится к классу энергоэффективных материалов, он превосходит тринитротолуол и гексаген, поэтому с ним надо работать с очень большой осторожностью. Не ударяйте молотком по новым полупроводниковым материалам!», ― предостерег В. Попов.

Органы свиньи ― для пересадки человеку

Татьяна Александровна Шнайдер, научный сотрудник ИЦиГ СО РАН, подводя итоги года, рассказала о ксенотрансплантации: межвидовой пересадке органов, тканей и клеток: «Пересадка органов от животного к человеку никогда не заканчивались успехом, наша иммунная система не воспринимает чужой орган. Так происходит потому что на поверхности всех наших клеток ― большое количество разных молекул, часть из них отвечают за рекогносцировку, в результате иммунная система распознает: свой или чужой. Одна из ключевых молекул: альфа-гал (α-Gal), она есть у всех млекопитающих, кроме человека. Считается, что именно альфа-гал вызывает сильнейшее иммунное отторжение».

Учёные давно пытались обойти эту проблему, и реализовали две концепции. Первая состоит в том, что в теле животного выращивается орган, полностью состоящий из клеток человека, чтобы в органе не было молекул альфа-гал и он стал безопасным для пациента.

«Филигранная работа: ученые научились выращивать в эмбрионах свиньи почки, состоящие из клеток человека», ― пояснила Т. Шнайдер.

Второй способ ― использовать генетически модифицированных животных.

«Можно модифицировать геном свиньи, чтобы она стала безопасна для пересадки органов. С помощью специальных молекулярных методов удалить ген, отвечающий за синтез альфа-гал и создать GalSafe свиней. Такую вещь сделали многие научные группы, но одна — “Revivicor” оказалась на шаг впереди и внесла ещё десять модификаций, обеспечив максимальную безопасность свиней для человека», ― продолжила историю исследовательница.

Операция по пересадке органа от свиньи к человеку действительно была проведена ― для американского пациента, находящегося в терминальной стадии заболевания.

«Ему предложили так называемую терапию милосердия, по сути эксперимент, на который пациент и его семья дали согласие, и было получено разрешение от FDA. Чтобы столь быстро получить разрешение от FDA, исследователи ранее потратили несколько десятилетий. Свиньи GalSafe компании Revivicor были зарегистрированы, в первую очередь, как продукт питания для людей с аллергией на альфа-гал, после многолетних безуспешных попыток получить разрешение от FDA на терапевтический препарат. И уже к этому разрешению (на продукт питания) было сделано дополнение FDA о том, что можно использовать свиней GalSafe, как источник потенциального терапевтического применения. О том, что людей с аллергией на альфа-гал очень много и о причинах аллергии, ученые узнали из подкаста о науке “Radiolab”.

Пациент после операции прожил полтора месяца ― не так много, но для умирающего человека ― бесценная возможность провести время с семьёй и близкими, напоследок сыграть в карты с любимой женой», ― завершила рассказ Татьяна Шнайдер.

Новая эпоха диагностики наноматериалов ― птихография

Заместитель директора ИФП СО РАН по развитию кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов привлёк внимание участников семинара к новому методу исследования нанообъектов: «В этом году сотрудники нашей лаборатории побывали на трех европейских конференциях, и везде лейтмотивом было обсуждение метода птихографии. Его возникновение можно сравнить с появлением новых типов микроскопии ― электронной, зондовой. Появление метода связано с развитием счётных мощностей, когда большие массивы данных обрабатываются за короткое время и с возникновением синхротронных источников когерентного электромагнитного излучения.

Если есть источник, например, рентгеновского излучения достаточной мощности, в которой область когерентности составляет десятки микрон (зона в которой источник взаимодействует с объектом исследования), то вы сможете, смещая объект относительно источника и приемной матрицы, получить трёхмерное изображение внутренней структуры объекта с разрешением порядка длины волны. Для получения изображения требуется компьютерное восстановление».

Учёный подчеркнул, что основное приложение метода ― исследование отдельных биологических молекул (энзимов, белков), наблюдения in situ за действием лекарств, и даже исследования нервной системы в процессе ее работы, на уровне отдельных нейронов.

Chat GPT

Главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Матвей Вульфович Энтин среди научных достижений 2023 года назвал работы Ливерморской лаборатории США по развитию термоядерного синтеза и появление нейросети Chat GPT. Ливерморская лаборатория продолжает воспроизводить прошлогодний положительный результат, когда в результате термоядерной реакции выделилось больше энергии, чем было потрачено на разогрев топлива. Рассказывая про Chat GPT, Матвей Энтин показал примеры текстов, написанных нейросетью, среди которых была даже научная статья. Ученый добавил, что дал задание Chat GPT объяснить, что такое топологические изоляторы: «Получился очень хороший текст. На мой взгляд, он может служить введением в научную статью. Также я попросил нейросеть решить конкретную задачу, связанную с краевыми состояниями топологического изолятора. Однако, она ответила, что пока не может этого сделать».

Источник: пресс-служба ИФП СО РАН.