T-INVARIANT: Несвободный лазер на свободных электронах. Как учёные из России лишились возможности работать на уникальной установке
С 30 ноября этого года российские учёные больше не будут иметь доступа к объектам Европейской организации по ядерным исследованиям, в том числе и к Большому Адронному коллайдеру. Это не единственная потеря для российских учёных и не единственный инструмент науки, доступ к которому был закрыт в связи с вторжением России в Украину. T-invariant на примере лазера на свободных электронах European XFEL разбирается, что это означает для науки и перспектив сотрудничества и что делают учёные, которые потеряли доступ к этому современному и многообещающему методу исследования.
Немного истории
Начнём с исторической справки, и трудно понять, чего в ней больше: гордости за талант учёных, начавших свой научный путь на территории России, или грусти об упущенных возможностях и количестве талантливых специалистов, которые вынуждены покинуть нашу страну.
Даже в хороший оптический микроскоп невозможно увидеть объекты, меньшие по размеру, чем длина волны в спектре видимого света. Неудивительно, что открытие Вильгельмом Рентгеном в конце девятнадцатого века рентгеновских лучей, длина волны которых гораздо меньше, предоставило исследователям новые перспективы в естественных науках и медицине. Достаточно вспомнить о роли рентгенограммы в открытии двойной структуры ДНК. Параллельно развивалась физика высоких энергий. Сначала излучение ускоряющихся элементарных частиц было предсказано теоретически. Но в 1931 году был построен первый ускоритель частиц, циклотрон. Он был всего около 10 сантиметров в диаметре и разгонял протоны лишь до 80 килоэлектронвольт.
Двигаясь с ускорением, заряженная частица излучает фотоны. Чем выше скорость частиц, тем выше энергия фотонов. Одними из самых мощных источников рентгеновского излучения до недавнего времени считались синхротроны. В них электроны движутся с околосветовыми скоростями по кругу диаметром в сотни метров и испытывают центростремительное ускорение благодаря поворотным магнитам.
Новым словом в науке стал лазер на свободных электронах. В этом устройстве источником излучения является пучок электронов в вакууме, проходящий сквозь ряд расположенных специальным образом магнитов (ондулятор) и при этом излучающий фотоны в виде рентгеновского излучения.
Главные новости о жизни учёных во время войны, видео и инфографика — в телеграм-канале T-invariant. Подпишитесь, чтобы не пропустить.
Мощные синхротроны есть сегодня почти в каждой развитой стране. Но постепенно учёное сообщество пришло к идее, что совсем не обязательно каждой стране строить свой собственный мощный ускоритель. Можно построить установку общего пользования, обеспечить команду, которая будет следить за исправностью, и улучшать работу, а остальные могут пользоваться этим инструментом для своих исследований.
Интересна роль учёных из Института ядерной физики (ИЯФ СО РАН) в новосибирском Академгородке в создании лазеров на свободных электронах. Конструкцию таких лазеров предложил в 1980 году сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Салдин. Впервые экспериментальное подтверждение возможности безрезонаторного рентгеновского ЛСЭ было сделано в начале 2000-х в США (с участием Николая Винокурова и других бывших сотрудников ИЯФ СО РАН: Эмиля Трахтенберга и Исаака Вассермана) и в Германии (опять же бывшими сотрудниками ИЯФ СО РАН: Михаилом Юрковым и уже упомянутым Евгением Салдиным). В создании и запуске LCLS (лазерной установке на свободных электронах, расположенной в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния) в 2009 году принялиучастие сотрудники пяти государственных лабораторий США, среди которых более десяти бывших сотрудников того же института.
Что такое XFEL
Европейский XFEL (European XFEL) — это, в первую очередь, сам лазер на свободных электронах, который расположен в подземных туннелях длиной 3,4 километра от кампуса DESY в Гамбурге до города Шенефельд в Шлезвиг-Гольштейне. А ещё это рабочие места для 300 учёных, инженеров, техников и административного персонала XFEL, а также для гостей исследовательского центра, это различные лаборатории, в том числе для подготовки проб. Это возможность использовать интенсивные ультракороткие рентгеновские вспышки для исследования чрезвычайно быстрых процессов, крошечных структур и экстремальных состояний материи.
— Лазер свободных электронов — не совсем точный термин, — считает специалист European XFEL, с которым нам удалось поговорить. — Думаю, что термин перешёл с обычного лазера из-за экспоненциального роста излучения, который есть и там, и там. Лазер это аббревиатура Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе значит «усиление света посредством стимулированного излучения», что не совсем верно для XFEL. Главное же отличие в том, что обычный лазер работает не на свободных электронах, а на электронах, связанных с атомом.
Работа European XFEL, как и других подобных устройств, начинается с генерации высокоэнергетического электронного пучка. Электроны ускоряются с помощью линейного ускорителя на основе сверхпроводящих технологий. Пучок ускоряется почти до скорости света, достигая очень высоких энергий (до 17.5 гигаэлектронвольт). Чтобы разогнать электроны до таких энергий и сфокусировать, в линейном ускорителе используют магнитные поля. Когда пучок электронов достигает высокой энергии, его направляют в специальную секцию с чередующимися магнитами, которая называется ондулятором. В ондуляторе электроны начинают двигаться по волнообразной траектории. В этом процессе электроны излучают рентгеновские фотоны (жесткое рентгеновское излучение до 20 килоэлектронвольт).
Рентгеновское излучение усиливается благодаря эффекту самопроизвольного эмиссионного излучения. Сначала электроны излучают фотоны хаотично. Однако затем фотоны начинают синхронизироваться и усиливать друг друга, образуя излучение, которое по своим свойствам аналогично лазерному излучению. Мощность этого рентгеновского излучения на 6-7 порядков превосходит синхротронное излучение и на 20 порядков выше излучения в привычной нам рентгеновской трубке, которую используют медики.
— Процесс усиления в ЛСЭ схож с эффектом, когда в концертном зале микрофон подносят слишком близко к колонке, к которой он же сам и подключен — внезапно возникает мощнейший звуковой сигнал, — рассказывает в интервью изданию «Наука в Сибири» Андрей Требушин, на тот момент старший лаборант ИЯФ СО РАН, а в настоящее время сотрудник European XFEL. — Этот процесс называется усилением шумового сигнала в усилителе с обратной связью.
Зачем нужен XFEL
— Представьте, что вы пришли на футбольный матч, сели на свои места и увидели только начальный счет, 0:0, и итог матча — скажем, 5:1. Вам показали всего два кадра и вы не знаете, как проходила игра, — объясняет основные отличия XFEL от синхротрона в интервью порталу «Атомная энергия 2.0» научный директор XFEL Evropean Сергей Молодцов. — Например, европейский ускоритель ESRF с длиной импульсов света в тысячи раз большей, чем у XFEL, позволяет нам увидеть начальное состояние вещества и конечный продукт реакции, которую мы изучаем. Всё самое интересное остается за кадром.
А вот XFEL, на его взгляд, позволяет подробнее увидеть все то, что осталось за кадром. Как сказано на сайте European XFEL, лазер на свободных электронах даёт возможность учёным снимать «молекулярное кино».
В 2009 году Ада Йонат, Венкатраман Рамакришнан и Томас Стейц получили нобелевские премии «за изучение структуры и функций рибосомы». Им понадобилось 20 лет на то, чтобы собрать кристаллы из единичных молекул рибосом и получить достаточно чёткую фотографию их структуры. Сегодня это можно сделать проще. Большое число фотонов позволяет получить необходимые данные буквально за один «выстрел» XFEL по одиночной молекуле. Так что существование XFEL обещает нам в ближайшее время разгадку строения множества биологических молекул, вирусов и кристаллов. Понимание структуры этих объектов, а также их временных изменений может стать основой для разработки будущих лекарств и методов лечения. Среди интересов European XFEL заявлены энергетика, в том числе создание искусственного фотосинтеза, катализаторы, информационные технологии, изучение воды, астрофизика и т.д.
Может показаться, что лазеры на свободных электронах вытеснили и заменили синхротроны.
— Это просто два разных инструмента, используя которые, вы можете изучить разные грани одной проблемы, — рассказал T-invariant нам один из сотрудников ИЯФ СО РАН. — Рядом с новосибирским Академгородком сейчас строится (и будем надеяться, будет успешно достроен) СКИФ (сибирский кольцевой источник фотонов). Сказать, что мы строим устаревший объект, было бы в корне неверно.
— Если вы посмотрите, то заметите, что рядом со всеми существующими лазерами на свободных электронах есть и большой синхротрон, — обращает внимание сотрудник European XFEL. — Это не случайно. У них очень близкая область применения, но параметры разные. Это как сравнивать две фотокамеры, одна из которых снимает в ультрафиолете. Есть мощные синхротроны и рядом с European XFEL.
Оптические компьютеры, накрывшиеся войной
В биологии синапс — это контакт между двумя нейронами или между нейроном и клеткой какого-то органа. В нашем организме импульс передается химически: в синаптическую щель нейрон выделяет специальное вещество — медиатор, которое генерирует нервный импульс в соседней клетке. Егор Притоцкий, будучи научным сотрудником лаборатории нейроморфных оптических систем Института проблем лазерных и информационных технологий РАН, филиала ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, работал над созданием искусственных синапсов для нейроморфных систем, где импульс может передаваться оптически. Это значительно увеличит производительность, скорость и целый ряд других характеристик. В основе работ Притоцкого и его коллег лежат материалы, которые меняют свое фазовое состояние под действием лазерных импульсов: из поликристаллического в аморфное и обратно. Им удалось исследовать изменение оптических свойств наноплёнок при таком фазовом переходе (преломление, отражение, поглощение света), рассчитать сами структуры и степень воздействия для получения заданных свойств на разных диапазонах.
Актуальные видео о науке во время войны, интервью, подкасты и стримы со знаменитыми учёными — на YouTube-канале T-invariant. Станьте нашим подписчиком!
— Важно было управляемо контролировать уровни пропускания света, как это происходит в уже существующих искусственных нейронных сетях, — поясняет Егор Притоцкий. — Нам хотелось создать в некотором смысле аналог квантового компьютера, который будет работать на принципах оптики. Оптические процессоры могут занять нишу ускорения обучения нейросетей и создания своих нейронных сетей. Оптика может преодолеть теоретический фундаментальный предел кремниевых машин в части скорости обработки данных. Создание оптических процессоров — это не просто следующий шаг в создании новых супер ЭВМ, это огромный скачок в развитии IT-технологий и обработке больших баз данных.
Уже есть целый ряд теоретических работ, которые показывают существование таких обратимых фазовых переходов для целого ряда материалов, которые проводились на линейных или кольцевых ускорителях. Остался важный вопрос: как именно можно использовать эти знания в практике.
— Процессы, которые мы изучали, проходят очень быстро, — поясняет Притоцкий. — И увидеть их в динамике можно только на ускорителях. Мы готовили заявку на использование ускорителя XFEL в Европе от межинститутской группы трёх научных институтов. Важно, что российские учёные, как нам объяснили, имели квоту в использовании XFEL. При этом нам бы предоставили всё необходимое, никаких дополнительных трат (кроме транспортных) не предполагалась. У нас было бы своё время работы на оборудовании и возможность опубликовать результаты в ведущих международных научных журналах. Я принимал участие в онлайн конференции XFEL, на которой мы обсуждали данный проект с сотрудниками инструмента FXE (лаборатории XFEL, где используется фемтосекундный лазер для инициации фазовых переходов).
Онлайн-встреча с European XFEL прошла 23 февраля 2022 года. А 22 марта на сайте European XFEL появилось сообщение, что сотрудничество с российскими организациями прерывается, новых заявок принимать не будут.
— Нам не понадобилось организовывать новую встречу, чтобы понять, что у нашей заявки нет будущего, — говорит Егор Притоцкий. И, как он отмечает, исчезла не только возможность российской команды провести исследование на European XFEL, но распалась и сама команда: институт, в котором он работал, перешёл под эгиду Курчатовского института. Часть команды была вынуждена уйти из науки, но даже те, кто остались, переориентировались на другие проекты и темы по новым приоритетам.
По словам Притоцкого, финансирование на исследования стало получить сложнее после ликвидации Российского фонда фундаментальных исследований. Например, с гранта РФФИ часть денег сначала нужно заплатить в виде налогов, часть — передать институту, от лица которого грант был подан. Но даже оставшиеся деньги зачастую хоть и идут грантозаявителям, но соответствующую сумму из зарплаты вычитают — и на руки можно получить только те же деньги, что и до подачи на грант.
Егор Притоцкий подписал Открытое письмо российских учёных и научных журналистов против войны и улетел из России с семьей в начале марта 2022 года с первой волной.
— Тогда ещё можно было высказать свое мнение, но после законодательство сильно изменилось, — считает Егор. — Попросили заявление об увольнении и уволили одним днем без выплат с начала 2022 года. Мы осознанно решили покинуть страну после 24 февраля и о своём решении не жалеем. Очень надеемся, что все это закончится и наступит мир, в котором учёные и учителя могут развивать науку и образование.
Сейчас Егор работает преподавателем в ОАЭ и ищет возможности вернуться в науку и продолжить исследования.
Что мы потеряли?
Ответить на этот вопрос было сложно всем нашим собеседникам. Из наиболее частых ответов звучали следующие:
- Возможность пользоваться технологией, находящейся на передовом крае науки.
На сегодняшний день лазеров на свободных электронах в мире — буквально штучное количество. Кроме Германии, такие установки есть в Италии (FERMI в г. Триесте), в Соединенных Штатах Америки (LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Калифорния), в Японии (установка SACLA в институте Харимы RIKEN в префектуре Хёго), в Южной Корее (PAL-XFEL в ускорительной лаборатории в Пхохане) и в Швеции (SwissFEL в Институте Пауля Шеррера, кантон Ааргау). Но все они сегодня недоступны для российских учёных.
— Это большая потеря, — уверен Егор Притоцкий. — Невозможно представить современную науку без инструментов мирового уровня. А рентгеновский лазер на свободных электронах — это одно из таких устройств. Наверное, запрет на участие в таких исследованиях сравним с запретом спортсменам участвовать в Олимпиаде. Возможность работать в своих лабораториях, только на своих приборах, а затем публиковаться только в российских журналах — не самый перспективный путь.
Мы общались с коллегами на профильных конференциях по микроэлектронике, и их руководители, академики рассказывали молодым специалистам, как сильно отстала советская наука в их отрасли, будучи отрезанной от остального мира. Для научного сообщества очень важна открытость, возможность обмениваться идеями и результатами.
- Возможность сэкономить.
Только на строительство European XFEL было потрачено 1.3 миллиарда евро. Годовые эксплуатационные расходы составляют около 120 миллионов евро. Огромная сумма — такой дорогой и в строительстве, и в использовании проект, наверное, под силу бюджету России. Но совместное строительство и использование гораздо выгоднее и в экономическом, и в дипломатическом плане. Для того, чтобы центр не просто функционировал, но и развивался, необходимо не только вкладывать деньги, но и находить новые идеи. Для коллективного проекта нескольких стран сделать это гораздо проще, чем в одиночку.
— В строительство объекта были внесены взносы акционеров, и этот процесс завершён. Российский вклад в общий бюджет строительства составил 27%, что основано на проценте акций в объекте, — объясняет T-invariant экономическую составляющую участия России в проекте Бернд Эбелинг, руководитель отдела по связям с прессой в European XFEL. — Акционеры также вносят вклад в ежегодную эксплуатацию объекта. С 2024 года взносы в бюджет эксплуатации учитывают как процент акций, так и использование объекта пользователями из стран-акционеров. Поскольку пользователи, связанные с российскими организациями, из-за санкций ЕС в настоящее время не имеют права приезжать на European XFEL для проведения экспериментов или участия в них, российский вклад в бюджет операции значительно сократился — примерно до 17%. Никакой компенсации не предусмотрено, поскольку исследовательское время на European XFEL (beamtime) выделяется бесплатно на основе научного превосходства, а не на основе взносов акционеров. Другими словами: акционеры не вносят вклад, чтобы получить beamtime. Они вносят вклад в эксплуатационные расходы, чтобы сделать исследовательскую установку доступной для мирового научного сообщества на благо общества
- Открытость и связи с Западом
Егор Притоцкий замечает, что в лазерной физике активное участие российских учёных в международных конференциях, публикации в международных престижных журналах, международные грантовые программы сменяются закрытостью, секретностью и работой на оборонку.
Казалось бы, у западной науки есть альтернатива: Китай и другие азиатские страны. Егор Притоцкий сомневается, что они могут стать реальной альтернативой.
— Такой резкий разворот западной науки (научных институтов Европы и Америки) от нас и нас от западной науки в сторону азиатских стран, в первую очередь Китая, не очень удачное решение, — считает он. — У меня есть коллега, который набирает сотрудников в лабораторию в Шанхае. Он в ней очень заинтересован, Китай сегодня остаётся фактически единственным возможным поставщиком качественной оптики, в частности дифракционных решеток, которые ему нужны. Но лично я себя, как, впрочем, и многие другие мои коллеги, в Шанхае не видим. Там хороший лазерный институт, все необходимое оборудование, как китайского производства, так и европейского. Хорошая стипендия, интересные проекты.
Но условия для меня неприемлемы. Нужно приехать в Пекин, прожить там полгода, за это время выучить китайский, сдать по нему экзамен и только после этого начать работать в Шанхае и перевезти туда семью. Я не готов расставаться с семьёй так надолго. Кроме того, отпугивает другой менталитет, опыт эпидемии COVID-19 и ограничения интернета.
Наш собеседник из ИЯФ также не рассматривает для себя работу в Китае как альтернативу. Он надеется, что все эти проблемы временны и после скорой смены власти («не может же это продолжаться долго») все потерянные связи, в первую очередь, в науке быстро восстановятся. Пока же остается доступ к иностранным научным журналам и возможность участвовать в конференциях без аффилиации.
Возможность российских учёных работать не под российской аффилиацией не исключает и профессор Эбелинг из European XFEL:
— Учёные, работающие в российских учреждениях, действительно в настоящее время не могут участвовать в экспериментах на European XFEL и других объектах. Но российские учёные, работающие в учреждениях за пределами России, продолжают работать на European XFEL и вносить свой вклад в наши научные результаты. Мы также продолжаем работать с аспирантами из России. В прошлом у нас было плодотворное сотрудничество с российскими учёными и их вклад в работу European XFEL был значителен.
P.S. Почему в статье большинство собеседников — анонимы
Во время подготовки материала мы обратились к множеству экспертов — как лично знакомых нам, так и к тем, чьи фамилии упомянуты в многочисленных интервью по близким темам, в научных статьях или на сайтах различных институтов. Большинство адресатов (как в России, так и в Германии) просто проигнорировали наши вопросы и просьбы об интервью. Те, кто согласились пообщаться с нами анонимно, объяснили нам такое поведение коллег.
— Давая интервью как сотрудник European XFEL, я выступаю от имени всего института. А значит, мне следует получить письменное разрешение от своего руководства и возможно, узнать их позицию по некоторым вопросам. То, что я рассказал вам — моя личная позиция. И институт может быть с ней не согласен. Скажу честно, у меня просто нет ни времени, ни желания влезать в эту бюрократическую процедуру, — говорит один из сотрудников European XFEL.
— Вы поднимаете очень острую и неоднозначную тему, — объясняет отказ его коллега. — Каждое слово, сказанное по такой теме, будет весить слишком много и может быть неверно истолковано. Я учёный, и мне не хочется играть в эти дипломатические игры.
— Наверное, это неприятно, но вполне ожидаемо, — говорит их российский коллега. — Посмотрите, за что и какие дела возбуждают в России, в том числе и на учёных. Ваша публикация точно не решит проблемы, а вот у человека, давшего интервью, эти проблемы вполне могут возникнуть. Зачем рисковать? Большинству было проще вас просто проигнорировать.
Поддержать работу T-invariant вы можете, подписавшись на Patreon и выбрав удобный размер донатов.
Текст: Юлия Чёрная