Директор ФТИ им. Иоффе: «Наука не может существовать в изоляции»

Колыбелью отечественной теоретической и экспериментальной физики по праву считается Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе. Именно здесь трудились на благо науки выдающиеся ученые, среди которых Нобелевские лауреаты – Николай Семенов, Лев Ландау, Петр Капица, Жорес Алферов. Сегодня сотрудники ФТИ имени А.Ф. Иоффе продолжают исследования на переднем крае науки, не забывая об опыте предшественников, которые прославили отечественную школу физики на весь мир. Директор Физтеха Сергей Иванов рассказал, что везде есть пусть и небольшой, но очаг российской, и очень часто физтеховской науки. Об этом и не только – интервью с Сергеем Викторовичем Ивановым.

− Работы Жореса Алферова были отмечены Нобелевской премией. Именно он определил дальнейшее развитие тематики полупроводниковых гетеростуктур. В современной физике научные направления зависят от выдающихся личностей или мировых наград?

− От наград они, естественно, не зависят, а личностями, конечно, определяются. Прогресс может быть медленным, может быть быстрым. Если говорить об исследованиях гетероструктур, то этой темой занимались параллельно в нескольких лабораториях мира, в том числе у нас − в Физико-техническом институте. По сути, эти исследования шли одновременно, и сотрудники конкурирующих лабораторий знали друг о друге. Это говорит о том, что открытие все равно бы произошло. При этом «соревнование» ученых и обмен опытом (Жорес Иванович ездил в Соединенные Штаты Америки и встречался с зарубежными коллегами из Bell Lab.) так или иначе стимулировали этот прогресс. И в итоге победу одержали советские ученые.

Надо сказать, что с самого начала наши ученые понимали лучше, в каком направлении двигаться. И тем не менее, это открытие, как и всегда, рождалось в муках. В это время в Физико-техническом институте активно велись исследования по объемным полупроводникам, по мощным германиевым, кремниевым диодам, тиристорам, в которых нуждались промышленность и энергетика. Исследовались лазерные структуры на основе объемных полупроводников А3В5. Наши ученые пытались получить интенсивное спонтанное (светодиодное) и лазерное излучение из обычных объемных полупроводников, легированных примесями с различным типом проводимости.

Жорес Алферов с коллегами предположили, что полупроводниковая гетероструктура, используя все преимущества намеренного изменения энергетического спектра в полупроводниковом кристалле, сможет нивелировать влияние нежелательных дефектов, которые, несомненно возникают, когда мы пытаемся срастить полупроводники разного химического состава. Однако такая точка зрения, конечно, встречала сопротивление и недоверие. Поэтому открытие группой Алферова возможности технологической реализации практически идеальных (бездефектных) полупроводниковых гетероструктур совершило настоящий переворот. И когда оказалось, что параметры полупроводниковых лазеров улучшаются как минимум на порядок, все осознали, что только с этим и надо работать. А обычная для того времени гомо-оптоэлектроника отошла на второй план.

− Чего удалось достичь за эти 50 лет?

− Действительно, в 2022 году будет 50 лет с того момента, когда был создан первый полупроводниковый гетеролазер, работающий при комнатной температуре в непрерывном режиме. За эти годы удалось существенно расширить спектральный диапазон полупроводниковых лазеров.

Традиционно лазеры реализовывались на одной группе материалов AlGaInAs. Поэтому у них было небольшое количество конкретных применений. В основном, в сфере волоконно-оптических линий связи. Затем концепция гетероструктур была применена к полупроводникам А3В5 (третьей и пятой групп Периодической таблицы химических элементов) других химических составов, а также других групп Периодической таблицы (А2В6 по аналогии). А как мы знаем, изменение химического состава, изменение размера атомов, силы химической связи и ее ионности приводит к изменению энергетического спектра, соответственно, меняется длина волны излучения. Ее значение стало возможным существенно изменять: от 500 нанометров до нескольких десятков микрон.

Помимо этого, были открыты новые широкозонные материалы – нитриды третьей группы, способные излучать в ультрафиолетовой области (до 230-300 нм). Было известно, что все полупроводники А3В5 обладают полупроводниковыми свойствами, но к этим было не подобраться технологически. Но впоследствии такие технологии были изобретены, модернизированы. Сегодня практически весь ряд полупроводников от антимонида индия до нитрида алюминия используется для создания приборов полупроводниковой фотоники.

И, конечно, существенно расширился круг приборов как таковых. Жорес Иванович начинал с обычных диодных лазеров, затем появились уже гетероструктурные лазеры. В дальнейшем физики стали работать с новым качеством, и появились квантово-размерные гетероструктуры. Их еще называют низкоразмерные гетероструктуры. Слово «размер» − ключевое, ведь он уже сопоставим с длиной волны Де Бройля электрона в полупроводнике. То есть, электрон, находясь в ограниченном объеме, одновременно чувствует уже обе стенки − становится квантовой частицей, а его энергетический спектр квантуется, т.е. разбивается на дискретные энергетические уровни. Суть проста: в качестве барьерного материала используется классический алюминий-галлий-мышьяк. Слой квантовой ямы формируется из арсенида галлия. Чередование слоев создает энергетический спектр структуры в виде прямоугольной ямы. Она может быть широкая, а может быть узкая. Современные технологии, такие как молекулярно-пучковая эпитаксия, позволяют с точностью до одного монослоя контролировать толщину выращиваемых слоев, сопоставимых с квантовыми размерами. Поэтому можно, не меняя химический состав слоев, а только толщину слоя квантовой ямы, добиваться изменения длины волны излучения за счет изменения энергии квантовых уровней.

Так, квантовая механика нашла свое применение именно в полупроводниковых структурах. Это дало ей новое практическое качество. С помощью квантово-размерных эффектов можно получать принципиально другие свойства материалов, принципиально другие параметры приборов с точки зрения как электрических, так и оптических свойств. Это позволило совершить переход к квантовым точкам, то есть объектам, в которых движение частиц ограничено со всех трех сторон, и соответственно спектр состояний электрона (дырки) представляет собой этакую дельта-функцию, другими словами, в активной области есть одна пара энергетических уровней с совершенно конкретной длиной волны излучения.

Если говорить о приборной базе, к диодным лазерам добавились так называемые квантово-каскадные лазеры. Они предполагают, что в процессах излучения участвует только один тип носителя заряда, скажем, электрон. Такая квантово-размерная гетероструктура сконструирована многослойно и представляет собой серию каскадов, в которых электрон поднимается сначала плавно по квантовой лестнице на высокий уровень, потом сбрасывается в квантовой яме на низкий, излучая квант света. Далее он снова попадает в инжектор, в котором его энергия вновь плавно поднимается под действием электрического поля, а затем снова происходит сбрасывание. Эдакий ступенчатый водопад. Работу квантово-каскадных лазеров теоретически обосновали в 1971 году в Советском Союзе Р.Ф. Казаринов и Р.А. Сурис, а впервые реализовали в 1994 г. сотрудники Вell Laboratories с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии, там же и изобретенной.

В Физико-техническом институте в конце 80-х годов были созданы самые низкопороговые лазеры с квантовыми ямами, а уже в 90-х годах именно в Физтехе появились первые в мире лазеры на квантовых точках, как А3В5 (в 1994), так и А2В6 (в 1999). Так что некий паритет между нами и Bell Laboratories сохраняется. Изменилось многое, но базовые принципы были заложены тогда – 50 лет назад.

− Как ученые научились взаимодействовать с квантовым миром? Сам квант всегда считался чем-то неуловимым, недостижимым.

− Это заняло довольно большое время. С момента появления первых полупроводниковых лазеров и светодиодов до возникновения первых источников одиночных фотонов (а это произошло приблизительно в конце ХХ века), прошло около 30 лет. Когда физика этих однофотонных источников стала понятна, то специалисты сразу приступили к созданию физических объектов. Одним из базовых и наиболее перспективных объектов оказалась полупроводниковая квантовая точка.

Квантовая точка имеет дискретный спектр. Это значит, что излучение может происходить только с определенного квантового уровня в этой точке. Оно строго детерминировано по энергии, то есть длине волны излучения. И поскольку в квантовой точке на уровне может одновременно находиться только один электрон, то единичный акт излучения как раз и рождает одиночный фотон.

На основе этого принципа удалось разработать не только эпитаксиальные технологии, которые производят полупроводниковые наногетероструктуры с самоформирующимися квантовыми точками, но и существенно продвинуться в области планарных технологий, или технологий ионно-плазменного травления. Дело в том, что при создании гетероструктуры квантовые точки расположены в плоскости. Таких точек может быть много – около миллиарда на квадратный сантиметр, хотя это считается низкой плотностью. Но можно выделить, скажем, окружность, или так называемую мезаструктуру, буквально вырезать наноколонку диаметром 200 нанометров. И в ее основании окажется всего не более десяти квантовых точек.

− Почему так происходит?

− Именно так они распределены по плоскости, и мы выделяем в ограниченном круге плоскости всего несколько квантовых точек. Микроскоп с хорошим разрешением позволяет возбудить и собрать излучение из конкретной наноколонки. Обычно создаются целые матрицы таких колонок. Задача состоит в том, чтобы найти соответствующий объект, в котором интенсивное излучение происходит от одиночной точки с требуемой длиной волны. Это заметно на спектре излучения таких наноколонок, который разбивается на серию узких линий в зависимости от энергии. И среди них часто находится линия высокой интенсивности с нужной длиной волны. Важно пространственно с точностью до десятков нанометров настроиться на определенную наноколончатую оптическую систему, спектрально выделив излучение в конкретной квантовой точке.

Это стало возможным после того, как были разработаны и оптические методики, и планарные технологии параллельно с эпитаксиальными, и появились приемники излучения одиночных фотонов, которые могут регистрировать прохождение одного фотона.

− Каким образом они работают?

−  Это довольно просто. Устанавливаются два фотоприемника, а перед ними полупрозрачное зеркало, которое позволяет падающему световому потоку разделяться. Если летят одновременно два фотона, то на обоих фотоприемниках появится сигнал в нулевой момент времени. Если же это одиночный фотон, то излучение зафиксирует только один фотоприемник. Поэтому строится так называемая корреляционная функция, при которой регистрация фотоприемников разводится по времени, позволяя им тем самым регистрировать одновременно сигналы, приходящие от разных фотонов. А при сближении момента времени регистрации фотонов образуется корреляционный провал – это и есть корреляционная функция. Она служит свидетельством того, что прибор регистрирует один фотон.

Если направить такие одиночные, да еще и неразличимые, т.е. идентичные по всем параметрам, фотоны в определенным образом сконструированную волноводную матрицу с эффектами интерференции, то можно создать симулятор оптических квантовых вычислений. Подобные наноструктуры в России создаются только в нашем Физтехе, в лаборатории Алексея Акимовича Торопова, а применяются в лаборатории Сергея Павловича Кулика, на физфаке Московского государственного университета. В данном случае одиночные фотоны играют роль кубитов в квантовых вычислениях. Но это не единственное их применение.

− Сегодня научное сообщество все чаще говорит о неких экстремальных условиях. О чем идет речь и какие перспективы это открывает?

− В контексте нашего разговора, можно упомянуть экстремальные размеры и экстремальную точность создаваемых квантовых объектов. И это действительно серьезная проблема, которая упирается в правильную организацию технологического процесса. Например, при многочасовом выращивании таких многослойных наноструктур незначительное колебание температуры воздуха в лаборатории, даже на 1 градус, может приводить к изменению скорости роста соответствующего материала или к неконтролируемому изменению его толщины, а значит и к оптическому несовершенству структуры.

Если говорить о температуре, то все исследования начинаются при низких температурах, часто при температурах жидкого гелия, поскольку именно тогда мы получаем максимальную квантовую эффективность. Но задача специалистов, разрабатывающих любые научно-технологические идеи, – максимально приблизить приборы к нормальным условиям работы, то есть к комнатной температуре и атмосферному воздуху.

− В 2018 году ФТИ имени А.Ф. Иоффе отметил свой столетний юбилей. Каким институт вошел в свой новый век? Чего удалось достичь за эти годы?

− История института очень богата. И многое было заложено нашим первым директором Абрамом Федоровичем Иоффе. Именно он начал и исследования полупроводников, и исследования кристаллических свойств твердых тел с помощью рентгеновского излучения. Тогда же, в 1931 году, стало развиваться термоэлектричество, и появились первые солнечные фотоэлектрические преобразователи, предложенные Абрамом Федоровичем в качестве государственной программы «солнечных крыш».

Затем начались исследования атомного ядра, также инициированные А.Ф. Иоффе. Все ключевые фигуры атомного проекта – И.В. Курчатов, А.П. Александров, Н.Н. Семенов, Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович, А.И. Алиханов, Л.А. Арцимович, Г.Н. Флеров − вышли из Физико-технического института. Благодаря этому и стала развиваться сильная научная школа атомной физики. И, конечно, впоследствии начало активно развиваться направление полупроводниковых гетероструктур.

Каждое из направлений ставило перед учеными новые задачи. Скажем, атомная физика перешла в существенной степени в сферу исследования следующего поколения − термоядерных реакторов. И здесь Физико-технический институт проводит очень активные исследования в плане разработки технологий нагрева, генерации и удержания термоядерной плазмы. А наши токамаки известны во всем термоядерном мире.

Серьезно продвинулись наши ученые в области диагностики термоядерной плазмы с помощью различных оптических методов. В частности, сотрудники Физтеха участвуют в Международном проекте по созданию термоядерного экспериментального реактора ИТЭР. Мы будем изготавливать три типа наиболее критической диагностики для этого термоядерного реактора. То есть исследования, которые были инициированы А.Ф. Иоффе и И.В. Курчатовым, вышли на новый качественный уровень уже под руководством Б.П. Константинова и В.Е. Голанта.

Активно ведутся работы и в сфере астрофизических исследований. Многие регистрирующие приборы, установленные на орбитальных космических аппаратах, изготовлены в Физико-техническом институте. Наши ученые входят в состав международных консорциумов по созданию крупных наземных телескопов по регистрации гамма-всплесков. Также ведутся исследования в области античастиц, темной материи, космических объектов с экстремальной энергетикой, излучение которых можно регистрировать в различных спектральных диапазонах.

В целом полупроводниковое направление еще при Жоресе Ивановиче вылилось в создание отдела, а потом и Центра физики наногетероструктур. Сейчас в Центре работают порядка десяти лабораторий. Специалисты занимаются и мощными полупроводниковыми лазерами, и прецизионными одномодовыми вертикально-излучающими лазерами для волоконно-оптических телекоммуникаций и квантовых сенсоров, стандартов частоты.

На сегодняшний день очень много завязано на совершенных и прецизионных полупроводниковых оптических приборах. Создаются приборы на основе инфракрасной оптики, которые можно использовать для широкого круга медицинских применений, для регистрации характерных заболеваний, идентифицируемых по химическому составу воздуха, который мы выдыхаем. Помимо этого, такие приборы используются в диагностике промышленных газов − концентрации углекислого газа на промышленных предприятиях, метана в шахтах, например.

Лидирующие позиции Физтех занимает и в области ультрафиолетовой фотоники. Специалисты Института разрабатывают технологии полупроводниковых фотоприемников в системе AlGaN для солнечно-слепого диапазона спектра и экологически чистых излучателей с длиной волны света 260-270 нм, оказывающего разрушающее воздействие на связи в белковых молекулах вирусов и бактерий, т.е. обладающих обеззараживающим воздействием. Это очень актуально в настоящее время.

Ведутся активные работы в области материаловедения. В свое время это направление зародилось в Институте благодаря Николаю Николаевичу Семенову, который создал отдел химической физики. Затем он трансформировался в целый институт, который в 1934 г. переехал в Москву. Совсем недавно мы отмечали 125 лет со дня рождения Николая Николаевича Семенова. Продолжение его дела в ФТИ − современные исследования в области химической физики, металоксидных и углеродных композитных материалов, применяемых в сфере возобновляемой энергетики, в том числе водородной, а также для электродных элементов различных суперконденсаторов и высокомощных аккумуляторов.

Нельзя забывать и об исследованиях в области биологии и медицины с использованием оптических спектроскопических методов, которыми владеет Физико-технический институт. И, конечно, значимая часть фундаментальных исследований посвящена спинтронике. Напомню, что электроны переносят не только заряд, но и спин − собственный магнитный момент электрона. Его можно сравнить с миниатюрным магнитом, который создает вокруг себя локальное магнитное поле. Это значит, что ориентацию электронного спина можно менять в результате воздействия внешнего магнитного поля, циркулярно поляризованного излучения или поляризованного по спину электрического тока. Эти исследования были начаты в Физико-техническом институте еще в 70-е годы − теоретические, затем и экспериментальные. Развитие технологий, в том числе, полупроводниковых, магнитных и ферромагнитных материалов, и знаний о динамике поведения спина позволяют разрабатывать прототипы спиновых транзисторов и элементов памяти. Предполагается, что в недалеком будущем они существенно расширят возможности современной электроники.

И наконец, еще одно не менее важное направление деятельности – это солнечная энергетика. Именно на базе полупроводниковых гетероструктур, отцом-основателем которых является Жорес Иванович Алферов, были созданы и каскадные солнечные элементы. И в 1987-м году отечественная орбитальная станция «Мир» отправилась в космос с солнечными батареями, разработанными в Физтехе и произведенными на предприятии НПП «Квант», которое и сегодня является одной из основных организаций ГК «Роскосмос» по производству полупроводниковых солнечных батарей. Руководителем этого направления в ФТИ является Вячеслав Михайлович Андреев. В его лаборатории работают молодые технологи, которые в состоянии осуществлять внедрение таких технологий на промышленном уровне.

Каждое из направлений подкрепляется уникальной теоретической школой Физико-технического института в области физики твердого тела, физики плазмы, астрофизики. Выросла плеяда молодых ученых, которые становятся докторами уже в 30 лет, а членами-корреспондентами РАН в 34 года. Приятно, что их число растет. В лаборатории и сектора Физтеха приходят молодые, талантливые ребята, которые сразу включаются в работу и через некоторое время начинают публиковать самостоятельные научные результаты в высокорейтинговых международных журналах.

Не забываем мы и о международном сотрудничестве с коллегами из зарубежных лабораторий по всему миру.

Но сейчас мы нацелены прежде всего на усиление прикладной деятельности и доведение наших разработок до промышленности. Конечно, в существенной степени, как говорил Жорес Иванович, это сдерживается тем, что наша промышленность пока еще не может востребовать все, что здесь создается, и нужного оборудования попросту нет. Но есть подвижки: отечественные производители наукоемкого оборудования развиваются всё активнее. И у нас уже есть очень удачные примеры такого взаимодействия по работе на отечественном технологическом оборудовании.

Важно, чтобы те разработки, про которые я говорил, не оставались здесь, в стенах Института, а выходили в промышленность, осваивались компаниями, которые работают в наукоемком секторе. Для этого и был задуман НИОКР-Центр ФТИ, который сейчас уже практически построен (строительная готовность 85%) в Шувалово – на еще одной площадке Физико-технического института. Созданы чистые комнаты, завезена большая часть оборудования. Пока финансирование приостановилось, к сожалению, но мы очень ждем, что его возобновят, и мы введем Центр в эксплуатацию в 2022 году. Это существенно бы помогло реализовать наши планы доведения физтеховских разработок до промышленности.

− Питерская научная школа, как мне кажется, всегда стояла неким особняком среди других научных школ. Сохраняется ли эта тенденция сегодня? Либо все идет к некой унификации и реализации общего дела?

− Действительно, школа советской экспериментальной и теоретической физики в существенной степени создавалась здесь – в Петроградском-Ленинградском Физтехе. И нашего московского «тезку» – МФТИ – основали тоже выходцы из Физтеха ленинградского – нобелевские лауреаты П.Л. Капица и Н.Н. Семенов. Традиционно в Институте инициировались и концентрировались исследования, которые позже распространились вместе с ключевыми людьми для создания различных (более 15) научных институтов по всей стране, а теперь СНГ. С другой стороны, нельзя говорить, что она стоит особняком. У нас очень тесные связи со всеми научно-технологическими центрами страны. С коллегами из Новосибирска, Екатеринбурга, Нижнего Новгорода, Зеленограда, Черноголовки и, конечно, Москвы.

В целом наука не может существовать в изоляции, и она не зависит от географического положения. Поэтому нет, я бы не сказал, что есть или когда-то была какая-то обособленность. К тому же много выходцев из Питерской школы сейчас рассредоточены по всей стране, по всем институтам до Дальнего Востока.

В 90-е, конечно, в связи с тяжелым положением российской науки и вообще с ситуацией в стране, довольно много наших сотрудников разъехалось по всему миру. С одной стороны, конечно, страна потеряла умы, а с другой, многие талантливые ученые реализовали успешную карьеру в американских, европейских и азиатских университетах, институтах, компаниях, и они активно взаимодействуют сейчас с теми, кто работает в Физтехе и в других научных организациях России.

Я вспоминаю, как в начале 2000-х годов я посетил три известных лаборатории в Вашингтоне, Нью-Йорке и Бостоне, и в каждой из них меня встречали выходцы из Физтеха. Куда бы вы не приехали, везде есть пусть и небольшой, но очаг российской, и очень часто физтеховской науки. А это очень ценно и приятно.