Интервью с чл.-корр. РАН Алексеем Жуковым: Микролазер: мал, да удал

В январе 2020 года в Высшей школе экономики в Санкт-Петербурге открылась новейшая Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники. Питерская школа физика всегда славилась своими идеями и достижениями, которые были отмечены мировым научным сообществом, в том числе Нобелевской премией, которую получил выдающийся ученый Жорес Иванович Алфёров. Сегодня его ученик, член-корреспондент РАН Алексей Евгеньевич Жуков продолжает погружаться в наномир, создавая микролазеры на квантовых точках для оптоэлектроники будущего вместе с молодыми сотрудниками новой лаборатории ВШЭ. В интервью для "Научной России" Алексей Евгеньевич рассказал о квантовых точках – полупроводниковых нанокристаллах с заданными свойствами, которыми можно управлять. Для чего это необходимо и насколько реализуемо? Читайте в нашем материале.

– Что собой представляют наноструктуры? И почему именно сейчас наблюдается такой интерес?

– На самом деле интерес к ним возник намного раньше. Просто сегодня мы подошли к такому этапу развития техники и технологии, что без наноструктур уже не обойтись. Если раньше это направление считалось интересным в рамках физики и реализовывалось в виде занимательных опытов, то теперь оно вышло на уровень реальных продуктов, которые окружают нас повсюду. Светодиоды, лазеры, транзисторы – всё это сегодня активно применяется как в науке, так и в повседневной жизни.

В свое время я выбрал для себя оптоэлектронику. И самый характерный пример использования наноструктур в этой области – это полупроводниковый лазер. 99% лазеров имеют в качестве активной области, где рождается свет, так называемую квантовую яму. Она ограничивает подвижность частиц с трех до двух измерений, тем самым заставляя их двигаться в плоском слое.

Малые размеры наноструктур вызывают новые эффекты, которые не присущи объемному полупроводнику. Один из таких эффектов известен как размерное квантование. Суть в том, что область, где «живут» электроны уменьшается. Им становится тесно, и они начинают перестраиваться, формируя внутри кристалла свой кристалл. Пример характерного проявления размерного квантования – управление длиной волны излучения с помощью толщины структуры. Например, компания «Samsung» запустила серию QLED-телевизоров. Q – значит квантовая точка. Конечно, технологические принципы несколько иные, но внутренний физический принцип аналогичный: длина волны зависит от размера. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный и синий субпиксель. Эти цвета комбинируются с различной интенсивностью для получения миллионов оттенков. А содержащие квантовую яму транзисторы, например, на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), позволяют достичь более высокой подвижности электронов и, как результат, быстродействия.

– То есть эти технологии уже проникли в нашу жизнь?

– Да, и давно. Концепция использования размерного квантования применительно к лазерам на основе квантовых ям была впервые сформулирована в середине 70-х годов Робертом Динглом. В свою очередь, полупроводниковые квантовые ямы стали естественным продолжением идеи полупроводниковых гетероструктур, сформулированной в начале 60-х годов Жоресом Ивановичем Алфёровым.

В квантовой яме электроны могут двигаться свободно лишь в двух пространственных направлениях – вдоль плоскости слоя, тогда как в третьем направлении их движение ограничено другими слоями. А под квантовой точкой в настоящее время понимается пространственная область, в которой квантование носителей проявляется во всех трех направлениях.

И здесь позволю себе похвалить себя и коллег из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе. В 1994-м году именно здесь в Санкт-Петербурге был изготовлен первый лазер на квантовых точках. Мне посчастливилось принимать в этом деле участие. Мы первыми стали выращивать лазеры с квантовыми точками. Это стало настоящим прорывом. Все осознали, что российская наука способна создавать передовые технологии.

– Где сегодня применяются приборы на основе квантовой оптоэлектроники?

– Наиболее наукоемкое направление – это оптическая связь, связанная с быстрой передачей информации. Понятно, что её объем растет с каждым днем. Это значит, что передавать информацию по проводам становится невозможно в виду ограничения на произведение дальности связи на скорость передачи данных. Проще говоря, передача информации на большое расстояние происходит медленнее. Так вот произведение – дальность на скорость – у оптики гораздо больше, чем у проводов.

Сегодня оптоволоконные линии мы используем и в домах, и в офисах, и на дачных участках. Следующий этап – внедрение оптических систем связи внутри суперкомпьютеров мировых Data-центров. Следовательно, дальность связи, где используется оптика, постепенно сокращается. Предполагается, что в дальнейшем уже внутри каждого компьютера будет своя оптическая система или оптоэлектронная плата. А затем и внутри смартфонов.

Предел, к которому мы стремимся – оптическая схема внутри чипа. По сути, наши учителя 40 лет назад закладывали принципы оптической связи, создавая лазеры. Почему Жорес Алфёров стал Нобелевским лауреатом? Потому что он придумал полупроводниковые гетероструктуры и создал первые приборы на их основе. И за это спустя, к сожалению, много лет он получил главную научную премию.

– Да, это характерно для Нобелевской премии.

– Верно. Я вспоминаю этот день и тот взрыв эмоций, который испытали все сотрудники физтеха, когда Алфёров стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Жорес Иванович пригласил меня на церемонию вручения в Стокгольме. Это была настоящая эйфория: отечественный ученый получил Нобелевскую премию.

– Чего удалось достичь за эти 50 лет?

– Колоссальнейшего прогресса. В чем состояло преимущество Алфёровских гетероструктур? В том, что с их помощью впервые удалось создать лазер, работающий при комнатной температуре. При этом мощность излучения была очень низкая. Когда я стал заниматься этой тематикой, в физтехе появились мощные лазеры, которые называли «ватниками», поскольку их мощность была около 1 Ватта. Через 10 лет мощность увеличилась в 10 раз, а вскоре и еще больше.

Увеличилась и скорость передачи, а также дальность. Если раньше один гигабит в секунду казался пределом мечтаний, то сейчас передача на уровне 20-30 гигабит в секунду – привычная реальность.

– Когда говорят о наноструктурах, упоминают метод молекулярно-пучковой эпитаксии.  В чем его специфика?

– Представьте структуру в виде слоеного полупроводникового пирога. Суть в том, что на кристаллической подложке выращиваются нужные слои, некоторые из которых квантово-размерные. Как работает метод? В вакуумной камере, откуда откачан весь воздух и все ненужные вещества, помещена подложка, на которую наращиваются необходимые элементы. Исходное вещество хранится в тигле – эдаком «стакане» из жаропрочного материала. Самый распространенный вариант исходного вещества – это галлий и мышьяк. Элементы нагреваются и летят к кристаллической подложке, где соединяются вместе.

– Почему важно наращивать элементы в вакууме?

– Высокий вакуум прежде всего обеспечивает чистоту. Во-вторых, в вакууме молекулы летят словно снаряды, не меняя траекторию. Поэтому в вакууме поток атомов легко перекрыть просто механической заслонкой. Это очень удобно, поскольку позволяет создавать различные гетероструктуры. Был галлий-мышьяк, открыли заслонку с алюминием – стал алюминий галлий-мышьяк. Открыли индий, стал индий галлий-мышьяк. То есть мы можем менять химический состав на уровне монослоя, то есть атомного слоя.

На сегодняшний день это одна из наиболее продвинутых, передовых технологий создания полупроводниковых гетероструктур для оптоэлектроники.

– От исходного вещества зависят конечные свойства?

– От вещества и от размеров. Важно, что в эпоху доквантовую единственным способом поменять, например, длину волны оставался подбор нужного химического состава. Но и здесь всегда существовали свои ограничения. Прежде всего, он должен быть согласован по параметру кристаллической решетки с подложкой и выдерживать определенные температуры.

Как оказалось, квантовая яма тонкая, она может быть выращена на подложке, чьи кристаллические параметры отличаются. Проще говоря, яма может подстроиться в определенных пределах. Плюс ко всему, мы можем, меняя толщину, подстраивать длину волны.

– Вы много говорили о квантовых точках, квантовых ямах и будущем оптоэлектроники. Некоторые специалисты сегодня активно занимаются созданием квантового компьютера. Используется ли здесь принципы из оптоэлектроники или эти сферы не пересекаются?

– Конечно, используется. Эти сферы действительно связаны. Но пока неясно, какой способ наиболее эффективен для создания квантового компьютера, и на основе каких принципов будет проводиться обмен данными внутри его элементов. В любом случае, оптическая связь всегда выгоднее, чем использование проводов с точки зрения быстроты действий.

Помимо этого, к сфере квантовых вычислений очень близко примыкает квантовая криптография. Здесь однозначно используются принципы квантовой оптоэлектроники, в частности – источники одиночных фотонов. Речь идет о связи, которую невозможно обмануть. Потому что свойства получаемого сигнала меняются, если кто-то хочет его похитить. А получатель сразу же об этом узнает.

Так вот источники одиночных фотонов основаны на квантовых точках, каждая из которых может быть одиночной и, соответственно, испускать одиночные фотоны. Поскольку в единицу времени в одной квантовой точке рождается один фотон.

– Поговорим о вашей лаборатории, которая создана совсем недавно. Когда и как возникла идея ее создания? И к чему вы пришли сегодня?

– Идея зрела долго. И я очень благодарен руководству Высшей школы экономики, что они решили заниматься и физикой тоже. И результатом этого решения стало наше появление здесь. Формально лаборатория открылась в январе 2020 года. Высшая школа экономики выделила довольно крупные деньги на приобретение оборудования, на обустройство лаборатории. Этим мы и занимались весь прошлый «ковидный» год.

Разумеется, мы столкнулись с определенными трудностями. Всё взаимодействие с поставщиками приходилось вести удаленно. К счастью, сейчас уже всё куплено и установлено.

В международной лаборатории квантовой оптоэлектроники Высшей школы экономики мы делаем упор на исследования, связанные с микролазерами. Поскольку мы стремимся к «скрещиванию» оптической связи и микросхемы, необходимо уменьшать размеры лазера.

Работать в этом направлении нам помогает специальная оптическая измерительная аппаратура, которая позволяет исследовать мельчайшие объекты. Помимо этого, нас интересуют быстро меняющиеся процессы: быстрое измерение оптических сигналов и их модуляция. И то, и другое дает информацию о том, как быстро мы можем обмениваться данными с помощью такого лазерного источника, как быстро мы можем передавать информацию, какие есть внутренние ограничения.

Кроме того, мы нацелены и на температурные измерения. Важно, чтобы конечный прибор мог работать при комнатной, а еще лучше при повышенной температуре.

– Каков прикладной аспект?

– В лаборатории работают люди, которые «вышли» из академических институтов. Поэтому мы видим наше призвание, прежде всего, в поисковых исследованиях. Конечно, каждое из них имеет четкую прикладную перспективу. Но, когда дело дойдет до прикладного, мы надеемся, что за нами будут стоять люди, которые подхватят наши технологии и будут внедрять их непосредственно на производстве.

К сожалению, технологии лазеров на квантовых точках смогли развить на Западе наши отечественные ученые. Сейчас ситуация несколько изменилась. Есть надежда, что это направление начнет развиваться в прикладном аспекте и в России.

Сегодня многие научные группы пытаются создать оптический лазерный источник, который способен передавать информацию между кремниевыми интегральными схемами или даже внутри интегральной схемы. Но необходимо соблюсти ряд требований: такой источник должен работать при повышенных температурах; быть маленьким и компактным; интегрирован с кремнием. Надо сказать, что кремний – это очень специфический материал, который не светит, при этом в электронике этот элемент – основной. Поэтому множество фундаментальных задач еще требуют решения.

– А кто может быть конечным потребителем таких технологий?

– Конечным потребителем, по всей видимости, должны быть компании, которые занимаются разработкой и производством кремниевой электроники, кремниевых интегральных микросхем, либо компании, которые занимаются оптическими коммуникациями. Сейчас сферы оптических коммуникаций и микроэлектроники разрозненны. Что-то посередине должно их породнить. В этом мы видим свою задачу – соединить две области. Сейчас мы пытаемся такие контакты наладить.

– Какое оборудование здесь используется?

– Лаборатория обеспечена уникальной научной установкой «Комплексный оптоэлектронный стенд». Если говорить про быстрые измерения, то мы используем так называемую люминесценцию с временным разрешением. Наши сотрудники сейчас юстируют, тестируют и налаживают этот прибор.

Помимо этого, здесь применяется метод высокочастотной модуляции: с помощью быстрого сигнала меняется интенсивность излучения, а мы наблюдаем отклик. И, конечно, в нашей работе не обойтись без криостата. Современные криостаты отличаются от гигантских резервуаров, куда необходимо было заливать жидкий азот и гелий. Сейчас они более компактные и удобные в пользовании.

Основа установки – виброзащищенный оптический стол. Он позволяет избежать ненужных вибраций и обеспечивает точность измерений даже очень маленьких объектов.

– Уже есть какие-нибудь интересные результаты, которыми вы можете поделиться?

– Конечно. Недавно мы опубликовали большой обзор о микролазерах с квантовыми точками в высокорейтинговом журнале «Light: Science & Applications». В целом, нам удалось сделать микролазеры, которые работают при 110 градусах Цельсия. Мы продемонстрировали оптическую передачу данных со скоростью 10 Гигабит в секунду. Это не рекорд для лазеров вообще, но очень хороший результат именно для микролазеров. Все это придает уверенность в том, что мы на правильном пути.

– Как вы заинтересовались этой темой?

– Позволю себе начать издалека. Я учился в петербургской физматшколе, которая сегодня известна как Президентский физико-математический лицей № 239. После окончания школы встал вопрос – куда же мне пойти учиться? Так вышло, что два моих одноклассника заинтересовались кафедрой оптоэлектроники, созданной Жоресом Ивановичем Алфёровым. Поскольку мы дружили, я решил поступать с ними, хотя у меня не было никакого понимания, что такое оптоэлектроника и кто такой Алфёров. Но я окунулся в атмосферу такой учебы, когда тебе преподает человек, который реально занимается наукой. Мы четко осознавали, к чему нам стоит стремиться.

Студентов в то время брали в армию, поэтому после двух лет службы я вернулся в институт, где после окончания уже не было распределения. Я был в свободном плавании, но решил продолжать тему своей дипломной работы. В Физико-техническом институте тогда была создана новая научная группа, куда я как студент-практикант был приставлен. Тогда же появилась новая установка молекулярно-пучковой эпитаксии. С помощью новейших в то время приборов за два года наша группа продемонстрировала первый в мире работающий лазер на квантовых точках. Это принесло нам научную известность. Стали развиваться активные контакты с разными научными институтами, школами, в том числе – с коллегами из Технического университета Берлина, тесные связи с которыми сохраняются по сей день. Очень быстро я защитил кандидатскую диссертацию, а затем и докторскую.

Но направление оптоэлектроники и полупроводников продолжает меня увлекать, в особенности – микролазеры на квантовых точках.

– Есть ли интерес со стороны зарубежных коллег? И как вы поддерживаете контакты сегодня?

– Сейчас наше общение перешло в удаленный формат. Но интерес, конечно, есть. В Германии, например, мои знакомые основали успешную фирму по производству полупроводниковых лазеров. Мы не только потребляем их продукцию, но и обмениваемся идеями и опытом.

В Университетском Колледже Лондона (University College London) у нас есть связи с хорошей группой ученых, которые занимаются эпитаксией на кремнии, мы с ними довольно активно сотрудничаем. В Пекинском университете почты и телекоммуникаций (Beijing University of Posts and Telecommunications), где до пандемии я был приглашенным профессором, была создана лаборатория имени Ж.И. Алфёрова. Мы довольно часто туда ездили с лекциями и работали над совместными исследованиями с китайскими коллегами, продолжаем контакты и сейчас.

– Вы в начале интервью определили некий путь от оптоэлектронной связи между континентами до микрочипов. Основываясь на современных тенденциях, когда мы сможем прийти к этому результату?

– Патент об использовании квантовых эффектов в лазерах появился, если не ошибаюсь, в 1979 году. Реально работающие приборы пришлись на конец 80-х – начало 90-х годов. То есть прошло около 11 лет. Поскольку 5 лет люди уже занимаются этим направлением, то, скорее всего, первых результатов стоит ждать лет через 6. В целом, экспериментальные образцы оптической связи между чипами уже продемонстрированы. Поэтому ждать реализации осталось недолго.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.