Инновационный проект «М-Гранат» является одним из спин-оффов Российского квантового центра и занимается разработкой уникальных магнитометров для медицинских задач. Руководитель проекта «М-Гранат» Петр Ветошко рассказал о своей научной карьере, стартапе «М-Гранат» и о самой технологии.



Учеба и начало научной карьеры



Я закончил факультет квантовой электроники Физтеха в 86-м году. Затем работал в Академии наук, в Институте радиотехники и электроники, и занимался там магнитометрией, магнитооптикой, в общем, тем, что связано с измерением магнитного поля. Наша научная группа возникла, можно сказать, почти на пустом месте. В то время была перестройка, я поддался общему течению и пошел работать в банк «Менатеп». Собственно говоря, это громкое имя «Менатеп» было образовано не без нашей помощи, потому что изначально это МЕжотраслевые Научно-ТЕхнические Программы, хотя все его ассоциируют с коммерческим инновационным банком. Таким образом, мы облагородили название ЦНТП (Центр научно-технических программ). Он существовал при ленинградском комитете комсомола, возник где-то в 86-м году в эпоху перестройки, инициаторами его создания были несколько человек, в основном представители ИРЭ, в том числе руководитель организации. У нас было несколько рискованных проектов.

История появления сенсора. Возрождение советских разработок

Проект «М-Гранат» был создан с целью коммерциализации магнитного сенсора сверхвысокой чувствительности, а разработка сенсора началась еще в ЦНТП. Тогда это была исключительно лаборатория. У нас там был кардиограф сверхвысокого разрешения, не магнитный, а электрический.

Параллельно в нашей группе велись работы по магнитооптике, мы очень быстро достигли хороших результатов, ездили на международные конференции, наши работы уже начали цитировать и так далее. Мы получили определенный статус, публиковались в Q1.

К сожалению, вся эта ситуация продлилась недолго. С наступлением 90-х нашу лавочку закрыли. Однако к тому моменту мы уже успели сделать несколько интересных работ, связанных, в частности, с симметрией перемагничивания в кристаллах, т.е. это были базовые магнитные явления в твердых телах. Иногда говорят: наша работа построена вокруг некого объекта, мы открыли новую частицу или новое взаимодействие и это теперь коммерциализируем. У нас ситуация как раз противоположная: мы немножко глубже поняли базовые явления магнетизма. И это дало возможность гораздо полнее использовать магнитные свойства. То есть, фактически оставаясь в рамках традиционных схем, мы на несколько порядков увеличили чувствительность сенсоров.

Попытка встать на коммерческие рельсы. Кейс с антишутинговыми сенсорами

В 90-е годы я с переменным успехом пытался коммерциализировать эту технологию в разных местах. Несколько лет провел в Англии в Манчестерском университете, и нам там очень помогли. В Англии мы выполнили несколько интересных работ. Пытались пристраивать эту технологию в Институте управления.

Условия были такие, что практически все закупки мы делали за рубежом. Потом ситуация стала немного лучше, в России появились гранты. В среднем проект шел от 100 тысяч до миллионов долларов. На эти деньги можно было что-то сделать.

В моем родном Институте радиотехники и электроники мне предложили участвовать в таком проекте, там дали достаточное количество средств, и мы для американцев изготовили довольно мощную систему, в которой было 20 с лишним сенсоров. Она решала задачу конфигурации магнитного поля проносимых предметов, другими словами она отличала магнитное поле мобильного телефона от магнитного поля ножа или пистолета. Это был абсолютно неинвазивный метод, который не индуцировал никаких токов, и школьники могли безопасно проходить. Проблема, которую должна была решить система, состояла в том, что в американских школах было много оружия. Эту работу лично курировал министр энергетики, он приезжал к нам, в Айдахо.

Признание на родине

И вот, наконец, в 2000-х и появилась система РФФИ и РНФ. Активно начала развиваться система грантов – фактически с 2008 года работа пошла регулярно. Где-то в 2010 году я уже вышел на хорошую чувствительность порядка 100 фемтотесла (фТл), и стало ясно, что эта технология пойдет далеко.

Анатолий Константинович Звездин, которого я знал еще с 80-х годов и времен «Метотепа», пригласил меня выступить в Российском квантовом центре (РКЦ) осенью 2013 года. И там Владимир Игоревич Белотелов предложил вместе поработать в Центре.

В РКЦ мы с Владимиром Игоревичем удачно подписали довольно крупный грант, на эти деньги купили уникальную комнату, которая экранирует магнитные поля Земли, и дела пошли значительно лучше. Кроме того, мы плотно сотрудничаем с командой В.Н.Бержанского в Крымском федеральном университете. У нас совместная лаборатория в Симферополе. Мы все туда постоянно ездим, сейчас закупаем туда ростовое оборудование, перестраиваем помещение. Эта совместная лаборатория благодаря действующим проектам сильно укрепилась, получила оборудование, оборот, научные кадры.

Благодаря такому сотрудничеству мы наконец-то закрыли больную тему с кристаллами, теперь это наоборот, наша сильная сторона, мы экспериментируем, выращиваем новые кристаллы и активно развиваем это направление. Наше преимущество в том, что сенсоры как новая, прогрессивная технология 100% локализована. Есть два технологических момента: вырастить кристалл и потом придать ему нужную форму, чтобы он стал сенсором. Первая часть задачи решена в Крыму, а вторая у нас в «Урале», где находится лаборатория по обработке кристаллов. Это все наше, мы создали все своими силами, и практически вся технология сейчас находится в наших руках.

Технология: как она устроена



Магнетизм — это серьезная наука, являющаяся областью физики твердого тела, а магнитные явления образуют отдельный класс задач, потому что два магнитных диполя взаимодействуют очень нетривиально. Если вы, например, в магнитном теле попытаетесь линеаризовать задачу (обычно это делается, чтобы описать свойства, какие-то спектры возбуждений и т.д), то она линеаризуется только в очень узком диапазоне углов. Если нарисовать профиль энергии, углы могут иногда очень сильно меняться при постоянной энергии, а там меняются принципиально все степени взаимодействия. То есть линеаризовать задачу как таковую практически невозможно, она принципиально нелинейна. Это первая трудность.

Вторая трудность магнетики – тела, обладающие собственным магнитным моментом, очень активно с большой энергией взаимодействуют внутри себя. И эта энергия, как правило, намного больше всех остальных тел с внешним полем, это большая энергия, и она требует минимизации. И моделирование магнетиков на компьютере требует просто чудовищных ресурсов. Если вы хотите смоделировать один микрон кубический магнетика, то мощность будет расти в 4-5 степени от объема. Именно благодаря этому магнитному взаимодействию не получается взять ограниченный объем магнетика и для него что-то посчитать, потому что энергия взаимодействия этого объема с оставшимся выключенным из рассмотрения объемом, ровно ?. Это закон.
Эти вещи делают достаточно простой с виду предмет тяжелым для работы, понимания, предсказания и моделирования свойств.

Вторая большая проблема магнетизма в том, что это чрезвычайно прикладная наука. Например, процесс перемагничивания – казалось бы, элементарный процесс, но когда пытались составить англо-русский словарь магнитных терминов, то почти сходу насчитали 120 адекватных и разных определений магнитной восприимчивости (а это базовое понятие магнетизма). В магнетизме понятия зависят от контекста: вы должны очень подробно описать условия, с каким магнетиком и как вы работаете, и тогда вы сможете более-менее построить модели вашего перемагничевания.

Т.к. это очень прикладная наука, то стоит кому-то на 1 процент уменьшить потери при намагничивании, это будет абсолютный бум для всей области, например, для трансформаторной промышленности, где потери энергии в масштабах страны просто огромные. Поэтому, как только что-то появляется, это становится коммерческой собственностью.

Такая востребованность в промышленности и в бизнесе не дает развиваться науке. Любая наука очень сильно страдает, когда она одномоментно применяема. То есть когда можно использовать ее результаты, они сразу становятся частью коммерции, коммерция естественно закрывает и научное общение, и систематизацию результатов. Есть такое правило, в магнетизме это правило 15 лет: откроете любую конференцию, через 15 лет все темы и результаты там будут повторяться. Такой мир, мы в нем живем.

Что касается наших достижений: мы усмотрели некую симметрию, которая заключается в том, что любые свойства кристалла должны быть разложены по осям, для кубического кристалла таких осей три. По определенным правилам запрета симметрия 3-го порядка не может отображаться в проекциях более высокого порядка. Например, если взять плоскость 3 единицы и измерять намагниченность в этих 3-х единицах, то вроде как в 3-х единицах эти 3 оси не имеют права проявлять себя. Во-первых, потому что будет 6 эквивалентных плоскостей. Это простое наблюдение, которое пришло в голову ученым только в 86-м году. Нам было интересно, понять, как именно симметрия запрещает, почему, и мы раскопали: выскакивает 2-й порядок.

Нам удалось создать когерентные состояния в макроскопическом магнитном теле. Вопрос был в том, что с этим можно сделать, – например, можно сделать магнитный сенсор. Магнитный сенсор как способ заявить о себе и возможность сделать что-то полезное. Речь идет о способе перемагничивания, одним из способов реализации которого может быть магнитный сенсор.

Вообще говоря, это мог бы быть трансформатор, но лимитная база еще не доросла до этих трансформаторов, потому что для того, чтобы их реализовать, нужны высокие частоты, но в принципе к этому дело идет. Для сравнения: чтобы запитать большой жилой дом в Москве нужен трансформатор 1 мегаватт. Но они иногда загораются. Что касается размера этого трансформатора – обычно это такой домик отдельно стоит где-то рядом во дворе и питает несколько домов. Это будка размером 3х3х3м минимум, а то и больше. Сам трансформатор – это сооружение 1,5х2м.

Вот наш кристалл мог бы справиться с задачей перекачать 1 мегаватт в объеме один кубический сантиметр. Это совершенно другая энергетика. По этим же соображениям наш кристалл мог бы быть кандидатом №1 для построения, например, кубитов для квантовых вычислений, там важно, чтобы квантовая система была изолирована от тепловой. Здесь это как раз имеет место быть, потому что магнитная система в высокосимметричном кристалле имеет очень слабую связь с кристаллической решеткой, ее даже легко запретить. Там опять есть много соображений, по которым можно запретить им общаться, но, конечно, всегда общение будет.

Как происходят потери в нашем кристалле? Симметрия запрещает прямой переход воздействия решетки на магнитную систему, но магнитная система колеблется, она же теплая, и она нарушает симметрию вследствие колебаний. Из-за того, что какую-то часть времени она находится в состоянии с нарушенной симметрией, у нее уже возникает связь с решеткой, и решетке удается свои возбуждения передать в магнитную систему. Очевидно, что этот процесс будет очень быстро убывать с низкой температурой. Это тоже одно из наших ноу-хау, на которое, кстати, у меня очень большие надежды. Мы обратили на это внимание, и охладили кристалл, чтобы не было этой передачи. Начали над этим работать, нашли, почему этого не происходит в тех кристаллах, с которыми мы работаем, там просто оказались сильные магнитные ионы со спин-орбитальной связью, им вымораживание никак не поможет, связь есть и есть, она квантовая, не зависит от температуры. Но эти ионы не несут никакой смысловой нагрузки в нашем кристалле, поэтому мы их оттуда убрали, вырастили новый кристалл, это результаты последнего года. Мы его охладили, мы еще не получили этой спиновой сверхпроводимости, но мы получили очень серьезное подтверждение тому, что это может быть. То есть впервые наш кристалл действительно заработал при криогенных температурах (гелий и т.д), он демонстрирует хорошие магнитные свойства, что не было раньше никем получено. Мы этого добились, это первый шаг, это будет отражено в нашем мегагранте, который ведет Владимир Игоревич и т.д. Сейчас мы работаем над тем, чтобы растить дальше этот кристалл, и это будет еще одна ступень. В Зеленограде мы сейчас выращиваем новую подложку, которую мы попробовали в работе, она сработала, это будет новый материал, здесь мы первые, перспективы выглядят очень серьезными, вплоть до спиновой сверхпроводимости. Это будет очень хитрая конфигурация, ее представить очень тяжело, это будут какие-то сложные внутренние структуры и т.д. Но тем не менее что бы это ни было это потенциально будет основой для всего, для энергетики, для информатики.

За основу у нас взята матрица граната, довольно сложный кристалл, у него 160 атомов в одной элементарной ячейке. Атомы железа в этом кристалле не должны иметь направления, не должны его видеть никак, кристалл симметрический, он кубический. Некоторые свойства этого кристалла приводят к тому, что он имеет рекордно низкое магнитное затухание, то есть магнитные возбуждения в этом кристалле практически не взаимодействуют с решеткой. Даже в самом простейшем случае он имеет очень высокую добротность для магнитных тел. По всей видимости, природа не запрещает нам играть дальше и получить наше чистое макроскопическое магнитное состояние, которое, по сути, будет совершенно квантовым.

Реализация

Самое простое применение данной технологии – это магнитометр. Мне кажется, что в какой-то момент общий уровень техники подрастет, и мы сможем начать использовать этот материал в энергетике. Это будет колоссально.

Другой областью применения является доменное перемагничивание. Когда мы начинали, прецедентов не было практически, но один из них все-таки случился. В истории твердых дисков был такой момент, когда у них резко подскочила емкость. Она была где-то 100 мегабайт, а потом сразу несколько терабайт по примерно той же стоимости. Что же случилось? Магнитная информация записывается магнитной головкой (такое ярмо с завиточками) и раньше считывалась тоже с ее помощью. Понятно, что при считывании размер бита определялся зазором головки, его нельзя было сделать маленьким, и это техника строго ограничивала размер считываемого бита. И в какой-то момент стало понятно, что перемагничивать надо по-другому. И вот здесь впервые, насколько мне известно, было использовано доменное перемагничивание когерентным состоянием, когда весь магнетик находился в однородном состоянии, были сделаны очень тоненькие пленочки, на этих пленочках измерялась проводимость, которая зависела от угла поворота домена. И вот это наверно первый случай использования магнитных пленочек.