Путь к настоящей науке усеян трудностями, но есть люди, которые проносят свою любовь к ней через препятствия и начинают самостоятельно её «двигать». Мы хотим рассказать историю Натальи Панкратовой (выпускницы ЭКТ’12), которая живёт в США и занимается изучением твердотельной наноэлектроники. Её исследования способствуют развитию перспективного направления квантовых компьютеров.

Фото: Дмитрий Павлов

От книг к науке

После школы я поступила в Московский государственный машиностроительный университет «МАМИ» и проучилась там два года. На втором курсе я прочитала книгу, в которой главной героиня – красивая молодая женщина-учёный – спасала мир с помощью нанотехнологий. Тогда я решила, что мне нужно заниматься нанотехнологиями, что бы это не значило. Я перевелась в МИЭТ на кафедру квантовой физики и наноэлектроники, которой руководил и руководит по сей день Александр Алексеевич Горбацевич. Оказалось, что наноэлектроника – очень интересная наука, которая «не отпускает» меня до сих пор.

Общение с умными людьми в МИЭТе подстёгивало мой интерес и любопытство для дальнейшего развития, преподаватели вдохновляли. После института мне хотелось продолжить заниматься наукой. Мне помог определиться профессор кафедры КФН Юрий Васильевич Копаев. Он читал у нас несколько курсов, в том числе факультативный по топологическим изоляторам (материал, состоящий из диэлектрика внутри, который проводит ток на поверхности, – прим. авт). Тогда меня впервые заинтересовала эта тема. После каждой лекции хотелось учиться и глубже вникать в предмет. Благодаря Юрию Васильевичу мне удалось перейти от общего представления «наука – это прикольно» к конкретному пониманию, что значит быть учёным. Он сыграл неоценимую роль в выборе моей карьеры и поддерживал на моём пути, за что я буду всегда безгранично благодарна ему.

Из магистратуры в продажи

Когда заканчивала университет, знала, что хочу изучать физику серьёзнее. Хотелось заниматься именно экспериментальной физикой, но в России на тот момент таких возможностей было немного. После защиты магистерской работы в МИЭТе я отправила резюме 10-15 профессорам, которые занимались интересными для меня исследованиями. Мне ответили двое, один из них был из университета в Вене. Я поехала туда, чтобы попробовать себя в группе по оптическим квантовым вычислениям. Я проработала там три с половиной месяца и поняла, что это не моё, поэтому вернулась на родину и продолжила искать себя в другом направлении.

В тот момент я устроилась на работу и стала заниматься продажами сверхпроводниковых детекторов одиночных фотонов. Благодаря этой работе у меня была возможность ездить на выставки и конференции. На мероприятии Российского квантового центра я общалась с профессором, который читал лекцию о топологических состояниях материи. Он познакомил меня с моим будущим научным руководителем – Владимиром Манучаряном. В тот момент он только получил позицию в Университете Мэриленда (University of Maryland, College Park) и открывал научную группу. Я поняла, что хочу работать в его группе.

Для этого нужно было сначала поступить в магистратуру. Я сдавала три экзамена – по английскому, GRE общий и GRE по физике (GRE – тест для поступающих в магистратуру или аспирантуру в США, – прим. ред). Несколько месяцев в университете Мэриленда рассматривали мою заявку. Через полгода я узнала, что поступила, а через год смогла начать обучение и работу.

Фото: Архив Н. Панкратовой

Трудовые будни

Моя деятельность оказалась очень непростой. Первое, что меня удивило и к чему я была не готова – объём работы, который ожидают от студента в американских вузах. Здесь реализована балльная система, максимально можно набрать 100 баллов, из них 50 – за домашнюю работу, 25 – за промежуточный экзамен, 25 – за финальный. Домашние работы выдаются каждую неделю с начала семестра. Преподаватель сразу предупреждает, что выполнение домашней работы займёт около 15-20 часов. За время лекции преподаватель может охватить только небольшой объем информации, остальное необходимо разбирать самостоятельно. Когда у тебя два-три курса в семестре, на домашнюю работу нужно тратить от 20 до 60 часов в неделю, что равняется стандартной трудовой занятости.

При этом работу в лаборатории никто не отменял, нужно ежедневно учиться новому и планировать будущий эксперимент. Обязательно нужно читать хотя бы несколько статей в неделю по своей теме, чтобы учиться и понимать, что происходит в твоей области. После того, как ты немного осваиваешься в своей теме, всё  равно нужно читать по несколько статей в неделю, чтобы понимать, что делают твои конкуренты, и не отставать, а пытаться обогнать их.

Непростой для меня оказалась и степень вовлечённости. Предполагается, что ты всё время должен посвящать работе, хоть это не обязательно и никто тебя не контролирует. Хочется, чтобы с тобой считались, как с серьёзным сотрудником, а в будущем – серьёзным учёным, поэтому приходится работать много и упорно. Приходя в воскресенье вечером в лабораторию, чтобы воспользоваться какой-нибудь аппаратурой, я часто стою в очереди несколько часов и жду, пока она освободится.

Настоящая наука

Сейчас я занимаюсь многотерминальными джозефсоновскими переходами в составе научной группы, которая изучает физику твёрдого тела. Для понимания сначала объясню, что такое двутерминальный (классический) джозефсоновский переход. Это система из несверхпроводящего материала, зажатого между двумя сверхпроводниками, которую охлаждают до низкой температуры и подают ток. В нашем случае роль нормального материала играет полупроводник – вещество, которое пропускает ток только при нагревании. В сверхпроводниках ток переносится электронами, объединёнными в пары – куперовскими парами. Но в полупроводниках электроны могут существовать только по одному. Что будет происходить с одиночным электроном, когда он подойдёт к границе сверхпроводника? Оказывается, электрон получит пару за счет отражения дырки (носителя заряда с положительным знаком, – прим. ред) из сверхпроводника. Этот эффект называется Андреевским отражением. На границе полупроводника со вторым сверхпроводником дырка начёт двигаться обратно вглубь полупроводника, а пара электронов снова объединится и продолжит движение в противоположную сторону. В результате образуются Адреевские уровни, благодаря которым протекает ток. Важно отметить, что ток через джозефсоновский переход зависит от разницы фаз между двумя сверхпроводящими терминалами. Этот эффект довольно неплохо изучен в двухтерминальных переходах, но ситуация сильно меняется, если добавить еще хотя бы один свехпроводник.

В случае многотерминального перехода в системе между каждой парой сверхпроводников будет своя разница фаз. У электрона, движущегося из одного терминала, появляется несколько вариантов пути. Например, в случае четырёхтерминального перехода интересно понять, будет ли изменение разницы фаз на одной паре терминалов влиять на ток через другую пару. Если через переход протекают сразу два тока, то будут ли они взаимодействовать друг с другом.

Самое интересное, что теоретически предсказано существование в такой системе частиц особого типа – майорановских фермионов. Их возникновение возможно, потому что эту систему из полупроводника и двух сверхпроводников можно перевести в топологическое состояние. Это фазовое состояние, в котором определённые свойства нельзя изменить без перевода системы в другую фазу.

Сейчас существует много подходов к созданию квантового компьютера, топологический – один из них. На мой взгляд, это одно из самых перспективных направлений. Основная проблема всех прототипов квантовых компьютеров – короткое время жизни кубитов (квантовых битов) из-за взаимодействия с окружающей средой. Майорановские частицы – кандидаты для топологических кубитов – смогут сохранять своё состояние долгое время. Поэтому с помощью этой системы можно передавать и хранить информацию.

***

На данный момент я занимаюсь только этими исследованиями и учёбой, больше ни на что времени не остаётся. Надеюсь, что это не предел моей самореализации

Я не знаю, что меня ждёт дальше. Пока мне кажется, чтобы быть успешным учёным, нужно полностью отдать себя этому делу и пожертвовать многим другим. Возможно, после аспирантуры ситуация меняется, поэтому сейчас я решила не принимать никаких решений относительно своего будущего и сфокусироваться на настоящем.

Ирина Краус