Через лазеры к звездам: когда заработает сверхмощный лазерный комплекс «Мультитера»

170 студентов и молодых ученых стали слушателями XIV Всероссийской школы по лазерной физике и лазерным технологиям Национального центра физики и математики (НЦФМ). Научный руководитель центра, сопредседатель направления «Физика высоких плотностей энергии» академик РАН Александр Сергеев рассказал «СР», зачем изучать молнии, когда заработает сверхмощный лазерный комплекс «Мультитера» и как стать первым в науке.

— Лазерная физика, оптика и фотоника так или иначе пронизывают все направления научной программы НЦФМ. Поэтому тематика школы была достаточно широкой: создание мощных лазеров, взаимодействие лазеров с веществом и др. Современные лазеры и оптические технологии очень активно используются для фотоники. Это и новые возможности обработки информации, и связь, и навигация, где нужны источники оптического излучения с уникальными характеристиками и специальной компонентной базой. Все это на школе было представлено.

Мы рассмотрели и перспективные направления, которые пока не присутствуют явно в научной тематике НЦФМ, но уже стучатся в дверь. Речь идет о живых системах и развитии искусственного интеллекта. Источники оптического излучения находят применение в медицинской диагностике, например для определения границ опухоли во время операции. На школе мы обсуждали возможности использования терагерцевого и инфракрасного излучений для диагностики.

Или вот атмосферное электричество — ​молнии. Вроде бы давно изучаемое явление, но ввиду своей масштабности и сложности до конца не понятое. В последние годы появились удачные эксперименты по инициации молнии с помощью лазеров. Когда лазерное излучение фокусируется на достаточно большое расстояние в атмосфере, возбуждаются проводящие области, которые, в свою очередь, являются каналами для прохождения молнии и разряда грозовых облаков. В рамках четвертого направления научной программы НЦФМ мы исследуем экстремальные состояния вещества, распространение мощного излучения в различных средах, в том числе в ионосфере.

Специалисты Российского федерального ядерного центра «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» и Института теоретической физики им. Ландау РАН подготовили две интереснейшие лекции о распространении излучения в турбулентной атмосфере. О том, как инородности, присутствующие в атмосфере, препятствуют видению объектов, построению изображения звезд и выполнению других задач, связанных с атмосферной оптикой.

На пересечении этих направлений открываются возможности исследования передачи квантовых ключей, с помощью которых кодируется информация в абсолютно защищенной форме. До сих пор передача такой информации осуществлялась по каналам волоконно-оптическим, но они не везде есть. Значит, нужно организовать передачу через космос. Коллеги загорелись этой идеей, договорились продолжить общение, решили пригласить к совместному обсуждению и работе другие институты.

Много говорили о новых оптических материалах. Обнаружили, что и здесь есть возможность объединить разные исследовательские группы в общих задачах. Использовать опыт создания рентгеновских зеркал по разным технологиям для рентгеновской литографии, которой «Росатом» начинает активно заниматься, поскольку для излучения, которое нужно правильным образом транспортировать, сфокусировать на фоторезисте, требуется очень хорошая рентгеновская оптика.

Конечно, мы уделили внимание и масштабным проектам НЦФМ. К 2030 году мы должны подойти к запуску трех установок класса мегасайенс, а дальше будем их совершенствовать и дорабатывать. В качестве промежуточных создадим лаборатории мидисайенс, чтобы, с одной стороны, получать интересные научные результаты, а с другой — ​на их базе готовить решения для установок класса мегасайенс.

Лазерный комплекс «Мультитера», как планируется, будет иметь мощность от 10 до 100 ТВт. На нем мы будем отрабатывать постановку критических экспериментов и диагностику для Центра исследований экстремальных световых полей. Это очень непростое дело. Мы идем в совершенно новую область исследований, с новыми параметрами — ​для них еще не созданы приборы, метрология. Эти направления будут развиваться параллельно.

Молодежь должна учиться не только по учебникам. Она должна чувствовать, как работать с короткими импульсами, сильными полями. Слушатели школы НЦФМ узнали о фокусировке фемтосекундных импульсов. А это как раз те импульсы, которые будут использованы на установке мегасайенс в Центре исследования экстремальных световых полей, которая последует за «Мультитерой», — ​острая фокусировка, предельно малый масштаб с максимально большой амплитудой лазерного поля. Обсуждаются новые технологии, благодаря которым можно дополнительно укоротить импульс без существенных энергетических потерь, в разы поднять его пиковую мощность. Когда зарождался проект Центра исследования экстремальных световых полей, мы говорили о возможности получить 200 ПВт, но сейчас — ​о многократном увеличении мощности. Таком, что даже с двумя нелинейно скомпрессированными каналами излучение может дойти до 100 ПВт, а имея 12 каналов, мы можем говорить об экзаваттном уровне. Такое понимание возникает только вследствие проработки деталей. Для этой мощности нет даже теоретических данных о том, какая физика откроется в эксперименте.

Это фабрика нового знания. Когда рассказываешь молодым людям о том, чего ни у кого нет и в обозримом будущем не будет, а у нас может быть, то глаза, конечно, у них загораются. Когда есть установка с уникальными параметрами, то какой бы эксперимент на ней ни провели, это будет всегда новое знание. Соответственно, тот, кто проводит на ней эксперимент, — ​всегда первый.

Чтобы обрабатывать новые данные, нужны высокопроизводительные суперкомпьютеры. Мы предлагаем двигаться в направлении фотонных вычислителей на основе электронной и фотонной компонентной базы. Тем более что для разработки такой компонентной базы не нужны топологические размеры, равные единицам нанометров, достаточно освоенных 30 или даже 130 нм, которые в нашей стране есть. Первый ощутимый результат ожидаем к 2025 году, его можно очень интересно применить в абсолютно разных задачах. Тут руки чешутся у программистов, так как это совершенно необычная задача — ​создание программного обеспечения на основе гибридной компонентной базы, а не в привычной цифровой логике. А молодежь очень чутко чувствует те направления, которые реально могут дать новый и интересный результат. Путь в неизвестное — ​это же как раз то, что привлекает молодежь в науке.