«Я ловлю атомы в ловушки и заставляю работать на благо человечества»
Дарья Быкова
Окончила бакалавриат и магистратуру НИУ ВШЭ по специальности «физика». Работает в лаборатории лазерной спектроскопии в Институте спектроскопии РАН в Троицке инженером. Пишет кандидатскую диссертацию по теме «Атомный чип для квантовой сенсорики». Преподаватель лабораторного практикума по оптике в НИУ ВШЭ.
Дарья Быкова думала стать архитектором, но сделала выбор в пользу физики. В интервью проекту «Молодые ученые Вышки» она рассказала о лазерном охлаждении атомов, конденсате Бозе — Эйнштейна и неодинаковых зрачках героев портретов в Третьяковке.
Как я стала заниматься наукой
Когда я решала, на кого пойти учиться, выбрала физику как направление, в котором мне было тяжелее всего и интереснее всего одновременно. Логичным продолжением учебы стала академическая карьера. Мне показалось, что работа ученого содержит в себе достаточно вызовов для того, чтобы я могла максимально раскрыться. Так и вышло: научная работа требует от меня — иногда даже слишком интенсивно — развития совершенно разных навыков.
Что я изучаю
Область физики, которая называется «лазерное охлаждение атомов». Мы занимаемся управлением атомами с помощью лазерных полей. Термин «охлаждение» означает здесь замедление, уменьшение скорости атомов: мы, физики, любим считать энергии в тех единицах, в которых нам удобно, в данном случае в терминах температуры.
Физики придумали замедлять атомы для того, чтобы собирать их в ловушки и проводить с ними эксперименты. При лазерном охлаждении атомы замедляются силами светового давления и при этом рассеивают лазерное излучение. По этому рассеянному излучению мы можем их детектировать с помощью камеры. На снимках мы видим светящееся облачко атомов диаметром около миллиметра, «подвисшее» в пространстве вакуумной камеры.
На основе облаков медленных атомов люди умеют делать различные квантовые сенсоры. Например, сенсор гравитации или сенсор ускорения — любого, необязательно ускорения вследствие притяжения Земли. Также с помощью такого инструмента можно сделать сверхточные часы.
Зачем нужны сверхточные часы
Если вы загуглите определение слова «секунда», вы увидите, что оно привязано к переходу между энергетическими уровнями в атомах цезия-133. Атомные часы — это лучшее, что мы имеем на сегодняшний момент для точного определения времени. Поэтому в ряде стран, и в России в том числе, есть собственные стандарты частоты и времени на основе часов с холодными атомами. С ними связаны национальные шкалы времени, которые мы все используем в повседневной жизни.
Точное определение времени используется много где — от банковских транзакций до синхронизации работы светофоров на перекрестках. Также оно используется для навигации, например для работы ГЛОНАСС и GPS. Космические навигационные спутники транслируют идущее на них время. Если мы связались минимум с тремя разными спутниками, то по задержке приходящих от них сигналов можем рассчитать расстояние до каждого и таким образом определить себя в пространстве.
Получается, что от точности часов, которые стоят на этих спутниках, зависит то, как точно мы можем определить свое местоположение. Параметр точности часов и чувствительности квантовых сенсоров, если мы говорим про сенсоры гравитации, — это тот параметр, который необходимо улучшать. Лазерное охлаждение атомов, которым мы занимаемся, ведет к достижению этой цели.
Например, если мы поставим часы на холодных атомах на спутники, точность определения по ГЛОНАСС повысится. Можно еще, например, установить на самолет сенсор гравитации на основе холодных атомов, пролететь над Россией сеткой вдоль и поперек и построить гравитационную карту. Это полезно для поиска полезных ископаемых и альтернативной навигации — не по спутниковой связи, а по гравитационному полю.
Чем занимается моя лаборатория
Разработкой технологии компактной платформы для таких сенсоров. В нашей лаборатории впервые в России был сделан так называемый атомный чип — устройство, которое позволяет формировать магнитные поля для атомных ловушек. Этим я и занимаюсь — ловлю атомы в ловушки и заставляю работать на благо человечества.
Я рада тому, что в моей работе есть и фундаментальные, и прикладные задачи. Разработка технологии построения сенсора — это прикладное направление, но также мы занимаемся фундаментальными исследованиями.
Например, если сильно охладить облако атомов, можно привести его в особое состояние, которое называется конденсат Бозе — Эйнштейна. Это макроскопический квантовый объект с довольно интересными свойствами, который можно изучать, мне кажется, бесконечно. Мы на пути к тому, чтобы в нашей системе получить конденсат атомов рубидия и исследовать его взаимодействие с лазерными полями и другими объектами.
Как я попала в Институт спектроскопии РАН
На третьем курсе студенты-физики распределяются по семи базовым кафедрам при институтах РАН. Я выбрала кафедру квантовой оптики и нанофотоники, потому что мне была интересна оптика, и так попала в Институт спектроскопии.
Внутри института я выбрала экспериментальное направление, где могла играться с оптическим конструктором, строить установки и работать с атомами. Увлеклась этими исследованиями, осталась делать дипломную работу и теперь уже пошла в аспирантуру.
После защиты диссертации хочу съездить на постдок за границу — посмотреть, как охлаждают атомы там. Потом вернусь в Россию со свежими знаниями и продолжу с новой силой и огоньком делать что-нибудь в квантовой метрологии.
Чем я горжусь
Наша лаборатория смогла сделать атомный чип, сердце установки, на российских мощностях, в коллаборации с МФТИ. Мы не заказывали этот чип где-то за границей, а научились напылять самостоятельно.
В нашей установке с атомным чипом мы научились охлаждать атомы рубидия и продемонстрировали, что можем сделать атомные часы. В России пока никто этого не делал именно с атомными чипами. В мире похожие работы существуют, но их немного.
Использование атомного чипа как платформы рассматривается как одно из направлений развития компактных оптических атомных часов. Чтобы воплотить это в жизнь, мы сотрудничаем с ВНИИФТРИ, институтом — хранителем национальной шкалы времени в России, он находится в Менделеево под Зеленоградом.
Мы стараемся привнести что-то новое в систему, с которой работаем. И дальше нам необходимо охладить атомы еще сильнее, понизить температуру ансамбля в ловушке, чтобы можно было переходить к построению прототипа квантового сенсора. Это наша цель.
В чем состоит моя работа
Я провожу эксперименты с атомным чипом — пишу программы для системы управления экспериментом, которую разработала сама, и постоянно дополняю установку. Чип стоит в вакуумной камере, чтобы остаточные газы не выбивали атомы из нашей ловушки. Вокруг вакуумной камеры используется множество оптических и электронных систем, мы с коллегами строили их вместе. Сейчас установка — это два стола оборудования. Не сразу веришь, что из всего этого действительно можно сделать компактный прибор, но на исследовательском этапе разработки технологии это нормально. В будущем будут предприняты усилия, чтобы готовый сенсор можно было поставить на спутник.
Чаще всего я занимаюсь «железом» (ставлю линзы, зеркала, другие оптические элементы, что-то паяю или работаю с вакуумными насосами). Когда установка готова, управляю экспериментом через компьютер. Смотрю, как атомы загружаются в ловушки, перегружаются из одних типов ловушек в другие, при этом у них понижается температура, и пытаюсь оптимизировать параметры для того, чтобы последовательность привела к нужному результату.
О чем я мечтаю
Сделать линейку квантовых сенсоров на атомном чипе. Для этого нужно несколько десятков лет, но за этим будет интересно наблюдать.
Наука — это изучение того, как ведет себя природа, и конструирование нового на базе этих знаний.
Если бы я не стала ученым
Наверное, я бы стала архитектором. Еще в школе меня влекло к техническим наукам и к рисованию. Это можно было бы совместить в такой красивой профессии, как архитектор. Но мне казалось, что я недостаточно усердно занималась академическим рисунком, чтобы поступить в архитектурный институт. В итоге пошла по более сложному пути и решила стать ученым-физиком.
С кем бы я хотела встретиться
Лазерное охлаждение атомов — это важная область науки, но развиваться она начала не так давно, с 70–80-х годов XX века. Пионером в этой области является основатель лаборатории, в которой я работаю, Владилен Степанович Летохов.
Он ушел из жизни в 2009-м, а я присоединилась к лаборатории в 2021-м, чуть-чуть его не застала. По масштабу личности это был невероятный человек, который почти получил Нобелевскую премию за лазерное охлаждение и пленение атомов. Он должен был быть номинирован, но столько разных историй я слышала, почему этого не произошло!
Летохов много работ посвятил первым исследованиям по лазерному охлаждению. В целом это экспериментальное направление науки родилось в Институте спектроскопии, в котором я работаю, и это не может не воодушевлять.
Вторая причина, почему мне хотелось бы встретиться именно с ним, в том, что он был в 1973–1988 годах самым цитируемым советским ученым по всем областям науки. Владилен Степанович умел генерить такое количество идей, что это вызывает восторг. Если бы я с ним встретилась, я даже вопросов бы не задавала, просто наблюдала, как он работает, потому что очень интересно, как у него это получалось.
Как выглядит мой обычный день
Иногда я отвлекаюсь на срочное написание статей или обучение студентов, но в основном это труд руками и головой за установкой. Я прихожу, включаю ее, загружаю все системы, налаживаю работу, делаю запланированные эксперименты. Обычно долго ничего не получается или получается что-то не то, и только под вечер, когда установка в своем лучшем, «разогретом» состоянии, начинают идти результаты, но уже пора домой. Приходится задерживаться вечерами на работе.
Бывает ли у меня выгорание
В науке довольно часто большие усилия тратятся на исследования какой-то вещи, а затем оказывается, что это был тупиковый путь. Поделюсь болью последних дней. Мы заметили, что в нашей установке по каким-то причинам после ряда улучшений стало захватываться в ловушку на порядок меньше атомов, чем раньше. Составили список причин, с которыми это могло бы быть связано. И последние несколько месяцев я занималась тем, что проверяла каждый из этих параметров, пыталась его оптимизировать и вычеркивала из списка. Довольно много усилий было положено на то, чтобы прийти к нулевому результату. В установке ничего не улучшилось, но при этом работа была проведена колоссальная, и это не может не фрустрировать. Да, в итоге мы нащупали контуры того, в чем проблема, но сколько времени на это пришлось потратить!
Чем я увлекаюсь, кроме науки
Много чем. Мне нравится быть частью студенческих организаций. Моя самая любимая — «Научные кураторы»: студенты старших курсов рассказывают про науку младшекурсникам. Мы занимаемся популяризацией, это приносит положительные эмоции и помогает ребятам лучше понять, что представляет собой эта работа.
Я люблю рисовать, но сейчас на это остается не так много времени. Люблю отправлять открытки — это называется посткроссинг. Пытаюсь заниматься спортом. Этим летом мне понравился теннис. У нас в институте есть собственный корт, и после работы можно пойти поиграть. Люблю приготовить что-то вкусное. Это помогает разгрузиться после большого рабочего дня, в котором могло и не быть успешных экспериментов.
Что последнее я читала
Сейчас я посреди романа-антиутопии Замятина «Мы». Дошла до момента, когда главный герой осознает у себя наличие души и крайне этим напуган. Пока я еще не составила мнение об этой книжке. С одной стороны, роман мне нравится, а с другой, из-за того, что я учусь на технической специальности, описанный в нем математизированный мир вызывает диссонанс. Например, главный герой-математик упоминает бином Ньютона как нечто сложное, хотя в контексте его окружения и профессии не должно было сложиться такой фигуры речи.
Совет молодым ученым
Выбирать то, что нравится и интересно, учиться справляться с неудачами, которых в любой области науки бывает много, смотреть на это с юмором. Очень помогает делиться с коллегами: они в ответ вам пожалуются, что не работает у них, и вы почувствуете, что уже не один на один со своей проблемой.
Любимое место в Москве
Район «Третьяковской» и «Новокузнецкой». Там все такое милое, человекоразмерное: пешеходные улочки, трамваи, мало машин. И Третьяковская галерея с постоянной экспозицией, куда можно прийти десяток раз и каждый раз увидеть что-то новое. Я люблю зал Шишкина, это мое место силы.
Когда будете в Третьяковской галерее, обратите внимание на портреты. У человека радужки и зрачки ровные и одинаковые, а на портретах — никогда. Вы это один раз увидите и больше никогда не развидите. Окажется, что на одном портрете кто-то косит, у другого один зрачок круглый, а другой овальный, помятый и смотрит в другую сторону.
Любимое место в Троицке
Из-за того, что мне часто приходится бывать в лаборатории и делать эксперименты, я решила, что лучше переехать поближе и ходить на работу пешком. Поэтому снимаю в квартиру в Троицке — это небольшой наукоград, который раньше был в Подмосковье, а теперь вошел в состав Москвы. Маленький зеленый городок, где много научных институтов.
Мне нравится место, где я живу. С одной стороны у меня оживленная и шумная городская улица, а с другой — Троицкий лес до горизонта, замечательные закаты с одной стороны и рассветы — с другой. Еще мне нравится кафе на пешеходном бульваре города, где мы обычно собираемся с коллегами-студентами после работы и делимся произошедшим за последнее время.