Научные прорывы 2023 года глазами сибирских ученых
На XXX 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. 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 А.В.Латышев: «В числе важнейших достижений присуждение премии им. А.Ф. Иоффе главному научному сотруднику ИФП СО РАН доктору наук М.В.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 А.И.Никифорова и его команды. 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 А.Л.Асеев поделился примечательными событиями в области микроэлектроники, приведя ключевые тезисы из докладов президента РАН академика Г.Я.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».
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.
Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик РАН А.Е.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».
История, рассказанная заведующим лабораторией генетики развития ИЦиГ СО РАН кандидатом биологических наук Н.Р.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.
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. Ииногда 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.
Старший научный сотрудник лаборатории нелинейных лазерных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук И.И.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 выступавший 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».
Заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук А.Г.Милёхин представил обзор достижений, удостоенных в 2023 году Нобелевской премии по химии. Премию присудили за открытие и исследование квантовых точек. В докладе 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.
Заведующий лабораторией ИХКГ СО РАН кандидат физико-математических наук П.А.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».
Говоря о Нобелевской премии по химии, докладчик подчеркнул, что свойства квантовых точек флуктуируют на больших временных отрезках: секундах, минутах, часах: «Если смотреть на люминесценцию одиночного нанокристалла, одно из таких интересных свойств - мерцание 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.
О прикладной научной работе, имеющей важное значение для идентификации личности, рассказала младший научный сотрудник лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики ИФП СО РАН Н.Н.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. В исследовательской работе авторы попробовали дифференцировать признаки, которые отвечают за расовую принадлежность, возраст, пол и признаки, отвечающие за окрашивание.
В результате выяснилось, что методом гигантского комбинационного рассеяния света (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».
Заведующий лабораторией физики низкоразмерных электронных систем ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Д.Х.Квон напомнил участникам новогоднего семинара, что, по его мнению, самое выдающееся открытие второй половины XX века — квантовый эффект Холла. Эффект был открыт Клаусом фон Клитцингом в 1980 году, а в 1985 году учёный получил Нобелевскую премию.
«Летом этого года, 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!».
Доктор физико-математических наук В.М.Ковалев, заведующий лабораторией теоретической физики ИФП СО РАН, рассказал об учёных, чьими достижениями он восхищён, и о космическом пришельце.
«Мы поздравляем сотрудника нашей лаборатории М.В.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 – А.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 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 докладчика ― 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».
О новых полупроводниковых материалах 2023 года слушатели узнали от заведующего лабораторией физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктора физико-математических наук В.П.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. 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. Нитрид углерода относится к классу энергоэффективных материалов, он превосходит тринитротолуол и гексаген, поэтому с ним надо работать с очень большой осторожностью».
Научный сотрудник ИЦиГ СО РАН Т.А.Шнайдер, 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. Филигранная работа: ученые научились выращивать в эмбрионах свиньи почки, состоящие из клеток человека».
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. 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. Пациент после операции прожил полтора месяца ― не так много, но для умирающего человека ― бесценная возможность провести время с семьёй и близкими».
Заместитель директора ИФП СО РАН по развитию кандидат физико-математических наук Д.В.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 электромагнитного излучения. Если есть источник, например, рентгеновского излучения достаточной мощности, в которой область когерентности составляет десятки микрон, 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. Основное приложение метода ― исследование отдельных биологических молекул (энзимов, белков), наблюдения insitu за действием лекарств, и даже исследования нервной системы в процессе ее работы, на уровне отдельных нейронов».
Главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ИФП СО РАН доктор физико-математических наук М.В.Энтин среди научных достижений 2023 года назвал работы Ливерморской лаборатории США по развитию термоядерного синтеза и появление нейросети ChatGPT. Ливерморская лаборатория продолжает воспроизводить прошлогодний положительный результат, когда в результате термоядерной реакции выделилось больше энергии, чем было потрачено на разогрев топлива. Были показаны примеры текстов, написанных нейросетью, среди которых была даже научная статья. Ученый добавил, что дал задание ChatGPT 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: Официальный канал Российской академии наук.