«Многие считали, что мы занимаемся безнадежным делом» Жизнь, достижения и наследие нобелевского лауреата Жореса Алферова
Утром 2 марта 2019 года стало известно о смерти советского и российского ученого, лауреата Нобелевской премии по физике Жореса Алферова. «Лента.ру» вспоминает о его жизни, научных достижениях и общественно-политической деятельности.
Его родители — Иван Карпович Алферов и Анна Владимировна Розенблюм — были убежденными коммунистами, поэтому свое необычное имя будущий нобелевский лауреат получил в честь Жана Жореса, французского социалиста, убитого накануне Первой мировой войны. Старший брат Жореса — Маркс Иванович Алферов погиб в Великую Отечественную войну при освобождении Украины. Маркс ушел добровольцем на фронт в 17 лет, сразу после школы, воевал под Сталинградом, на Курской дуге и был убит 19-летним в последние дни Корсунь-Шевченковской операции.
«Я его безумно любил — меня он, наверное, любил еще больше. Он был человеком более талантливым, более целеустремленным и чистым, чем я», — рассказывал позже Алферов с дрожью в голосе и со слезами на глазах.
Жоресу повезло — несмотря на постоянные переезды и эвакуацию, после возвращения в разоренную немцами Белоруссию ему удалось закончить школу с золотой медалью. Как потом вспоминал Алферов, этому сильно поспособствовал его школьный учитель Яков Борисович Мельцерзон. В школе Жорес активно участвовал в самодеятельности, зачитывался Зощенко и Маяковским. До девятого класса он мечтал стать журналистом и готовился к поступлению на журфак. Мельцерзон, по словам Алферова, «перевернул меня, и мне захотелось заниматься физикой и электроникой после того, как он рассказал мне про катодный осциллограф и локацию». Теперь школа, в которой учился будущий выдающийся физик, носит его имя — минская гимназия №42 имени лауреата Нобелевской премии Ж.И. Алферова.
Жорес Алферов в 1979 году
Фото: Максим Блохин / ТАСС
Второй раз Жоресу Алферову повезло после окончания Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) — его распределили в знаменитый Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, где в разные годы работали академики Игорь Курчатов и Юлий Харитон и нобелевские лауреаты Петр Капица и Лев Ландау. Там молодой ученый стал заниматься разработкой транзисторов. В 1960-е, когда советская наука была на подъеме, Алферов переключился на физику полупроводников и изучение гетероструктур. Именно тогда были сделаны важнейшие открытия, за которые он в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике. Хотя в начале 1960-х многие коллеги скептически относились к перспективам этих исследований.
«У нас долгое время не было успехов… Над нами многие физики подсмеивались и считали, что мы занимаемся безнадежным делом», — вспоминал Алферов. Например, известный американский ученый Джек Айзек Панков заявил, что «это все бумажные патенты… и дальше бумаги дело не пойдет».
Мобильные телефоны, лазеры и системы памяти в компьютерах, оптоволокно, светодиоды и нанотехнологии — все это стало возможным благодаря работам Алферова и его коллег. По сути, эти открытия совершили революцию не только в науке, но и в повседневной жизни человечества.
«Не только научный и технологический прогресс, но и социальный прогресс общества в последние 20-30 лет связан с развитием микроэлектроники, развитием технологии полупроводниковых гетероструктур», — говорил Алферов в 2012 году. «Я достаю мобильный телефон, а там стоит HEMT-транзистор, работающий на квантовой яме», — объяснял он тогда журналистам.
В 1970 году Алферов защитил докторскую диссертацию, в 1971 году получил первую международную награду — медаль Стюарта Баллантайна, присуждаемую Институтом Франклина в США. В следующем 1972 году его заслуги отметила и родная страна: Алферов стал лауреатом Ленинской премии и профессором своего родного ЛЭТИ. Потом научных и государственных наград, в том числе и зарубежных, будет множество, хотя ходили разговоры, что в годы застоя у Алферова периодически возникали проблемы с органами госбезопасности, мешавшими его контактам с иностранными коллегами. Впрочем, сам ученый, будучи убежденным советским человеком, никогда публично об этом не говорил.
Жорес Алферов на лекции для старшеклассников в школе «Физика и электроника»
Фото: Юрий Белинский / ТАСС
«Мое главное увлечение — это работа, мало остается времени на все остальное», — признавался Алферов. Возможно, из-за страсти к науке у него не сложился первый брак, закончившийся скандальным разводом и болезненным разделом имущества. Второй раз Алферов женился в 37 лет, и с тех пор семья всегда была для него опорой и надежным тылом.
Думая о том, кто придет ему на смену, Алферов поддерживал талантливую молодежь. Он учредил Фонд поддержки образования и науки, более известный как Алферовский фонд. Первым взносом в него стали деньги из Нобелевской премии академика: «Будущее России — наука и технологии, а не распродажа сырья. И будущее страны — не за олигархами, а за кем-то из моих учеников».
Тем не менее сегодня самые известные ученики Алферова — помощник президента, бывший министр образования и науки Андрей Фурсенко и известный бизнесмен Юрий Ковальчук. «Юра — талантливый и блестящий организатор, — признавал Алферов. — Если бы не определенные события в стране, то он и сегодня работал бы в науке, и, возможно, именно ему я бы передал Физико-технический институт».
Алферов был искренним и страстным человеком. Он остался убежденным коммунистом и болезненно переживал многие события, происходившие в стране последние три десятилетия. Он не принял преобразования 90-х, протестовал против реформы Академии наук, огорчался, когда видел усиление разрыва между бедными и богатыми, а также деградацию науки и социальной сферы.
«Нет более главной задачи для нашей страны, чем возрождение промышленности высоких технологий. Или мы останемся на сырьевой игле», — предупреждал Алферов несколько лет назад.
Что изобрел Жорес Алферов и еще 4 вопроса про великого ученого
[mybigtext]Жорес Алферов скончался на 89 году жизни. SciencePop отвечает на главные вопросы, связанные с жизнью и работой ученого, которого иногда называли «совесть отечественной науки».[/mybigtext]
Что изобрел Алферов?
По большому счету, всю современную цивилизацию. Во всех мобильных телефонах есть гетероструктурные полупроводники, созданные Алфёровым. Вся оптиковолоконная связь, без которой невозможно представить современный интернет, работает на его полупроводниках и «лазере Алфёрова». Проигрывание музыки? И здесь есть его вклад. Без «лазера Алфёрова» были бы невозможны проигрыватели компакт-дисков и дисководы современных компьютеров. Открытия Жореса Ивановича используются и в фарах автомобилей, и в светофорах, и в оборудовании супермаркетов. Каждый раз, когда вы стоите на кассе, вспоминайте, что именно благодаря его изобретению кассир может считывать данные со штрих-кода на упаковке.
Кроме того, солнечные батареи, разработанные коллективом Алфёрова, в течение 15 лет беспрерывно снабжали электроэнергией космическую станцию «Мир».
Почему у Алферова такое странное имя?
Жорес Алферов родился в 1930 году в Белоруссии. Его отец был крупным советским руководителем. Такое необычное имя он получил в честь известного французского революционера. К слову, его брата, погибшего во время Великой Отечественной, завил Маркс.
Алферов был гением?
Возможно. Но известно, что в институт его взяли без экзаменов. А уже на третьем курсе он проводил самостоятельные эксперименты, а после окончания института его приняли на работу в знаменитый Физтех. Тогда проводники стали главной темой работы будущего Нобелевского лауреата. Причем, полупроводниковые гетероструктуры в 1960-х годах в Советском Союзе считались малоперспективными.
Почему он стал депутатом?
Алферов был бескомпромиссным человеком. Он избирался в Госдумы во все созывы, кроме первого и последнего. Он последовательно отстаивал важность бесплатного образования и медицины. Избирался от партии КПРФ, хотя в ней и не состоял.
Когда он получил Нобелевскую премию?
Несмотря на то, что исследования, за которую он получил Нобелевку, проводились в 1960-е годы, премию он получил только в 2000 году. В число полученных Алфёровым премий, наряду с Нобелевской, входят Государственная и Ленинская премии СССР, Государственная премия России и около десятка зарубежных наград.
Даже велосипед изобрели русские!
Ушел из жизни великий ученый и великий гражданин Жорес Алферов. Однако его открытия остались с нами. Вопреки мнению невежд, которые считают, что все толковое и передовое придумано иностранцами, именно Алферов является творцом многих современных технологий.
Нобелевский лауреат клеймил вредительские реформы в сфере образования, уничтожение фундаментальной науки. И всегда говорил: «Будущее страны не за олигархами, а за кем-то из моих учеников».
Цитаты гения
«От разрушения Советского Союза выиграла небольшая кучка партократов-плутократов и национальные элиты, возглавившие созданные на основе союзных республик новые государства. Подавляющее большинство населения оказалось обмануто».
«Если гражданина заставляют платить за образование и медицинское обслуживание, пенсию накапливать из собственных средств, жилье и коммунальные услуги оплачивать полностью, по рыночной цене, то зачем мне такое государство?!»
15 великих русских разработок
Велосипед
Уральский крепостной Ефим Артамонов проехал около 2000 верст на велосипеде собственной конструкции в 1800 году из Тагила в Москву. За что получил вольную. А вот патент на изобретение оформил немец Карл фон Дрез в 1818 году.
Фото: pixabay.com
Телеграф
Первый электромагнитный телеграф в своей квартире собрал российский ученый Павел Шиллинг в 1832 году. Он придумал определенную комбинацию символов, каждой из которых соответствовала буква алфавита.
Лампа накаливания
Эдисон, говорите? Как бы не так! Он лишь усовершенствовал изобретение члена Русского технического общества Александра Лодыгина, который в 1870 году предложил применять в лампах спиральные нити накаливания из вольфрама.
Радио
Наркоз
В 1844 году великий хирург Иван Пирогов впервые в истории медицины начал оперировать раненых с эфирным обезболиванием в полевых условиях. Всего он провел около 10 тысяч таких операций.
Телевидение
В июле 1907 года ученый Борис Розинг подал заявку на изобретение «Способа электрической передачи изображений на расстояния». В опытах ему помогал студент Владимир Зворыкин, который развил идеи учителя.
Лазер
Принцип действия описан еще Эйнштейном. Однако лишь в 1955 году инженеры-физики Александр Прохоров и Николай Басов разработали квантовый генератор, который превратил теорию в практику.
Искусственное сердце
Студент-биолог Владимир Демихов в 1937 году сконструировал механическое сердце и поставил его собаке вместо настоящего. Собака жила с протезом около трех часов. Его опыты признают прорывом в сердечно-сосудистой хирургии.
Электромобиль
В 1899 году инженер Ипполит Романов представил публике машину, работающую на электричестве. Она развивала скорость 39 км/ч, но из-за сложной системы подзарядки не могла уехать далее 60 км.
Фото: wikipedia.org
Цветная фотография
Сергей Прокудин-Горский в 1902 году придумал фотокамеру, которая пропускала снимок через три световых фильтра: красный, зеленый и синий. В 1905 году он получил патент.
Парашют
Вертолет
Иван Сикорский не только создал в 1909 году винтокрылую машину, но и первый четырехмоторный самолет «Русский витязь», четырехмоторный бомбардировщик, пассажирский самолет «Илья Муромец» и трансатлантический гидроплан.
Фото: lhistory.ru
Видеомагнитофон
Александр Понятов в 1956 году организовал серийное производство первых коммерческих видеомагнитофонов. К сожалению, в США.
Спутник
Создание Сергеем Королевым и его командой искусственного спутника Земли в 1957 году, а затем и космического корабля открыло перед человечеством новую технологическую эру.
Компьютер
И еще кое-что
Эпоха ушла. Что сделал Алферов для человечества
Вы ежедневно заходите в социальные сети, отправляете сообщения, слушаете музыку, смотрите фильмы. Благодаря кому? Американцам, придумавшим интернет? Нет!
Всё благодаря простому русскому ученому, который впоследствии изучил и открыл многие фундаментальные для людей сферы науки.
Жорес Алфёров однозначно определил облик современного мира.
Напомню, сегодня в Комарове, что под Санкт-Петербургом, прощаются с великим ученым. Нобелевский лауреат, академик Российской академии наук Жорес Алфёров внес огромный вклад в российскую и мировую науку.
А начиналось всё так: закончив факультет электроники, что не предполагает выход за пределы довольно узкой области электротехники, он отдает себя полностью полупроводникам, которые впоследствии фактически «похоронят» радиолампы.
Жореса Алферова довольно быстро заинтересовали структуры и переходы в физике. Обнаружив эффект, названный сверхинжекцией, он показал миру лазер.
Область применения лазеров не ограничивается DVD-проигрывателями. Ведь именно таким же образом передается информация по интернет-каналам, выяснил ученый. Кратко: чем быстрее переключается лазер и чем лучше фотодиод реагирует на изменение освещенности, тем больше данных можно передать по оптоволокну.
(Теперь вы знаете, кого благодарить за вечер с сериалами после тяжелого рабочего дня.)
Дальше, Ленинская премия – самая почетная награда СССР, а в 2000 году и долгожданная Нобелевская премия, сделали своё дело – Алфёров становится известным на весь мир.
Инфракрасный порт, который был в каждом мобильнике с начала нулевых. А ведь это тоже труды Алферова!
Кто бы мог подумать, что исследования молодых ученых в 60-ых годах найдут повальное применение только на рубеже тысячелетий.
Реакция на уход из жизни Алферова среди известных людей
ВРИО губернатора Санкт-Петербурга Александр Беглов: «Жорес Иванович всегда говорил правду, он никогда не нарушал своих принципов. Он остался верен своим принципам, своему воспитанию, своим убеждениям. Вчера руководители всех фракций Государственной Думы приехали, чтобы попрощаться с ним. Приехали попрощаться, и снова улетели, потому что сегодня заседание. Это говорит о том, что в Государственной Думе он занимал лидирующее положение и был лидером. Лидером, который отстаивал интересы страны и города. Вечная память Жоресу Ивановичу».
Уход из жизни ученого не оставил без внимания и его европейских коллег. Член Лондонского королевского общества профессор Мартин Полякофф также выразил соболезнования:
«Смерть академика Жореса Алфёрова – печальный день для российской и мировой науки. Он был не только выдающимся учёным, но и активным сторонником исследований, а также весёлым и забавным человеком».
Жорес Алфёров: флагман отечественной электроники
В марте этого года академику Жоресу Ивановичу Алфёрову, нобелевскому лауреату и члену редколлегии журнала «Экология и жизнь», исполнилось 80 лет. А в апреле пришло известие о том, что Жореса Ивановича назначают научным руководителем инновационного проекта «Сколково». Этот важный проект должен, по сути, создать прорыв в будущее, вдохнув новую жизнь в отечественную электронику, у истоков развития которой и стоял Ж. И. Алфёров.
В пользу того, что прорыв возможен, говорит история: когда в 1957 г. в СССР был запущен первый спутник, США оказались в положении аутсайдера. Однако американское правительство проявило бойцовский характер, были брошены такие ассигнования в технологию, что число исследователей быстро достигло миллиона! Буквально на следующий год (1958) один из них, Джон Килби, изобрел интегральную схему, заменившую печатную плату в обычных ЭВМ — и родилась микроэлектроника современных компьютеров. Эта история впоследствии получила название «эффект спутника».
Жорес Иванович очень внимательно относится к воспитанию будущих исследователей, недаром он основал НОЦ — учебный центр, где подготовка ведется со школьной скамьи. Поздравляя Жореса Ивановича с юбилеем, заглянем в прошлое и будущее электроники, где эффект спутника должен не раз проявиться вновь. Хочется надеяться, что и в будущем нашей страны, как когда-то в США, будет накоплена «критическая масса» подготовленных исследователей — для возникновения эффекта спутника.
«Технический» свет
Первым шагом к созданию микроэлектроники был транзистор. Пионерами транзисторной эры стали Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, которые в 1947 г. в «Bell Labs» впервые создали действующий биполярный транзистор. А второй компонентой полупроводниковой электроники стал прибор для прямого преобразования электричества в свет — это полупроводниковый оптоэлектронный преобразователь, к созданию которого Ж. И. Алфёров имел непосредственное отношение.
Задача прямого преобразования электричества в «технический» свет — когерентное квантовое излучение — оформилась как направление квантовой электроники, родившейся в 1953–1955 гг. По сути, ученые поставили и решили задачу получения совершенного нового вида света, которого раньше не было в природе. Это не тот свет, который льется непрерывным потоком при прохождении тока по вольфрамовой нити или приходит в течение дня от Солнца и состоит из случайной смеси волн разной длины, не согласованных по фазе. Другими словами, был создан свет строго «дозированный», полученный как набор из определенного числа квантов с заданной длиной волны и строго «построенный» — когерентный, т. е. упорядоченный, что означает одновременность (синфазость) излучения квантов.
Приоритет США по транзистору был определен огромной ношей Отечественной войны, навалившейся на нашу страну. На этой войне погиб старший брат Жореса Ивановича, Маркс Иванович.
Маркс Алфёров окончил школу 21 июня 1941 г. в Сясьстрое. Поступил в Уральский индустриальный институт на энергетический факультет, но проучился лишь несколько недель, а потом решил, что его долг — защищать Родину. Сталинград, Харьков, Курская дуга, тяжелое ранение в голову. В октябре 1943 г. он провел три дня с семьей в Свердловске, когда после госпиталя возвращался на фронт.
Три дня, проведенные с братом, его фронтовые рассказы и страстную юношескую веру в силу науки и инженерной мысли 13-летний Жорес запомнил на всю жизнь. Гвардии младший лейтенант Маркс Иванович Алфёров погиб в бою во «втором Сталинграде» — так называли тогда Корсунь-Шевченковскую операцию.
В 1956 г. Жорес Алфёров приехал на Украину, чтобы найти могилу брата. В Киеве, на улице, он неожиданно встретил своего сослуживца Б. П. Захарченю, ставшего впоследствии одним из ближайших его друзей. Договорились поехать вместе. Купили билеты на пароход и уже на следующий день плыли вниз по Днепру к Каневу в двухместной каюте. Нашли деревню Хильки, около которой советские солдаты, в числе которых был и Маркс Алфёров, отражали яростную попытку отборных немецких дивизий выйти из корсунь-шевченковского «котла». Нашли братскую могилу с белым гипсовым солдатом на постаменте, высящемся над буйно разросшейся травой, в которую были вкраплены простые цветы, какие обычно сажают на русских могилах: ноготки, анютины глазки, незабудки.
К 1956 г. Жорес Алфёров уже работал в Ленинградском физико-техническом институте, куда он мечтал попасть еще во время учебы. Большую роль в этом сыграла книга «Основные представления современной физики», написанная Абрамом Федоровичем Иоффе — патриархом отечественной физики, из школы которого вышли практически все физики, составившие впоследствии гордость отечественной физической школы: П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов, А. П. Александров, Ю. Б. Харитон и многие другие. Жорес Иванович много позже писал, что его счастливая жизнь в науке была предопределена его распределением в Физтех, впоследствии получивший имя Иоффе.
Систематические исследования полупроводников в Физико-техническом институте были начаты еще в 30-е годы прошлого века. В 1932 г. В. П. Жузе и Б. В. Курчатов исследовали собственную и примесную проводимость полупроводников. В том же году А. Ф. Иоффе и Я. И. Френкель создали теорию выпрямления тока на контакте металл-полупроводник, основанную на явлении туннелирования. В 1931 и 1936 г. Я. И. Френкель опубликовал свои знаменитые работы, в которых предсказал существование экситонов в полупроводниках, введя этот термин и разработав теорию экситонов. Теория выпрямляющего р–n-перехода, легшая в основу р–n-перехода В. Шокли, создавшего первый транзистор, была опубликована Б. И. Давыдовым, сотрудником Физтеха, в 1939 г. Нина Горюнова, аспирантка Иоффе, защитившая в 1950 г. диссертацию по интерметаллическим соединениям, открыла полупроводниковые свойства соединений 3-й и 5-й групп периодической системы (далее А3В5). Именно она создала фундамент, на котором начались исследования гетероструктур этих элементов. (На Западе отцом полупроводников А3В5 считается Г. Велькер.)
Самому Алфёрову поработать под руководством Иоффе не довелось — в декабре 1950 г., во время кампании по «борьбе с космополитизмом», Иоффе был снят с поста директора и выведен из состава Ученого совета института. В 1952 г. он возглавил лабораторию полупроводников, на базе которой в 1954 г. был организован Институт полупроводников АН СССР.
Заявку на изобретение полупроводникового лазера Алфёров подал совместно с теоретиком Р. И. Казариновым в разгар поисков полупроводникового лазера. Эти поиски шли с 1961 г., когда Н. Г. Басов, О. Н. Крохин и Ю. М. Попов сформулировали теоретические предпосылки его создания. В июле 1962 г. американцы определились с полупроводником для генерации — это был арсенид галлия, а в сентябре-октябре лазерный эффект получили сразу в трех лабораториях, первой оказалась группа Роберта Холла (24 сентября 1962 г.). И через пять месяцев после публикации Холла была подана заявка на изобретение Алфёрова и Казаринова, от которой ведется отсчет занятиям гетероструктурной микроэлектроникой в Физтехе.
Группа Алфёрова (Дмитрий Третьяков, Дмитрий Гарбузов, Ефим Портной, Владимир Корольков и Вячеслав Андреев) несколько лет билась над поиском подходящего для реализации материала, пытаясь изготовить его самостоятельно, но нашла подходящий сложный трехкомпонентный полупроводник почти случайно: в соседней лаборатории Н. А. Горюновой. Однако это была «неслучайная» случайность — поиск перспективных полупроводниковых соединений Нина Александровна Горюнова вела направленно, а в вышедшей в 1968 г. монографии сформулировала идею «периодической системы полупроводниковых соединений». Полупроводниковое соединение, созданное в ее лаборатории, обладало необходимой для генерации стабильностью, что определило успех «предприятия». Гетеролазер на этом материале был создан в канун 1969 г., а приоритетной датой на уровне обнаружения лазерного эффекта является 13 сентября 1967 г.
Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 г. Н. Г. Басовым, Б. М. Вулом и Ю. М. Поповым. Применение p–n-переходов для этих целей было предложено в 1961 г. Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным, Ю. М. Поповым. Полупроводниковые лазеры на кристалле GaAs впервые были осуществлены в 1962 г. в лабораториях Р. Холла, М. И. Нейтена и Н. Холоньяка (США). Им предшествовало исследование излучательных свойств p–n-переходов, показавшее, что при большом токе появляются признаки вынужденного излучения (Д. Н. Наследов, С. М. Рыбкин с сотрудниками, СССР, 1962). В СССР фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых лазеров, были удостоены Ленинской премии в 1964 г. (Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Д. Н. Наследов, А. А. Рогачев, С. М. Рыбкин, Ю. М. Попов, А. П. Шотов, Б. В. Царенков). Полупроводниковый лазер с электронным возбуждением был впервые осуществлен в 1964 г. Н. Г. Басовым, О. В. Богданкевичем, А. Г. Девятковым. В этом же году Н. Г. Басов, A. З. Грасюк и В. А. Катулин сообщили о создании полупроводникового лазера с оптической накачкой. В 1963 г. Ж. И. Алфёров предложил использовать гетероструктуры для полупроводниковых лазеров. Они были созданы в 1968 г. Ж. И. Алфёровым, В. М. Андреевым, Д. З. Гарбузовым, В. И. Корольковым, Д. Н. Третьяковым, В. И. Швейкиным, удостоенными в 1972 г. Ленинской премии за исследования гетеропереходов и разработку приборов на их основе.
Новые материалы
На фоне развернувшейся с начала 60-х годов лазерной гонки почти незаметно возникли светодиоды, которые тоже производили свет заданного спектра, но не обладающий строгой когерентностью лазера. В результате сегодняшняя микроэлектроника включает такие основные функциональные приборы, как транзисторы и их конгломераты — интегральные микросхемы (тысячи транзисторов) и микропроцессоры (от десятков тысяч до десятков миллионов транзисторов), тогда как по сути отдельную ветвь микроэлектроники — оптоэлектронику — составили приборы, построенные на основе гетероструктур по созданию «технического» света — полупроводниковые лазеры и светодиоды. С использованием полупроводниковых лазеров связана новейшая история цифровой записи — от обычных CD-дисков до знаменитой сегодня технологии Blue Ray на нитриде галлия (GaN).
Светодиод, или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED — англ. Light-emitting diode), — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.
Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 г. в Университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк. Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Поэтому в ход пошли такие материалы, как GaAs, InP, InAs, InSb, являющиеся прямозонными полупроводниками. В то же время многие полупроводниковые материалы типа А3ВЕ образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов — тройных и более сложных (AIxGa1-xN и InxGa1-xN, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), на основе которых и сформировалось направление гетероструктурной микроэлектроники.
Наиболее известное применение светодиодов сегодня — замена ламп накаливания и дисплеев мобильных телефонов и навигаторов.
Общая идея дальнейшего развития «технического света» — создание новых материалов для светодиодной и лазерной техники. Эта задача неразрывна с проблемой получения материалов с определенными требованиями, предъявляемыми к электронной структуре полупроводника. И главным из этих требований является строение запрещенной зоны полупроводниковой матрицы, используемой для решения той или иной конкретной задачи. Активно ведутся исследования сочетаний материалов, которые позволяют достигать заданных требований к форме и размерам запрещенной зоны. *
Составить представление о многосторонности этой работы можно, взглянув на график, по которому можно оценить многообразие «базовых» двойных соединений и возможности их сочетаний в композиционных гетероструктурах.
Принимаем тысячи солнц!
История технического света была бы неполна, если бы наряду с излучателями света не шла разработка его приемников. Если работы группы Алфёрова начались с поисков материала для излучателей, то сегодня один из членов этой группы, ближайший сотрудник Алфёрова и его давний друг профессор В. М. Андреев вплотную занимается работой, связанной с обратным превращением света, причем именно тем превращением, которое используется в солнечных элементах. Идеология гетероструктур как комплекса материалов с заданной шириной запрещенной зоны нашла активное применение и здесь. Дело в том, что солнечный свет состоит из большого количества световых волн различной частоты, в чем как раз и состоит проблема его полного использования, так как материала, который смог бы одинаково преобразовывать свет различной частоты в электрическую энергию, не существует. Получается, что любая кремниевая солнечная батарея преобразует не весь спектр солнечного излучения, а только его часть. Что делать? «Рецепт» обманчиво прост: изготовить слоеный пирог из различных материалов, каждый слой которого реагирует на свою частоту, но в то же время пропускает все остальные частоты без значимого ослабления.
Это дорогая структура, так как в ней должны быть не только переходы различной проводимости, на которые падает свет, но и множество вспомогательных слоев, например, для того чтобы получаемую ЭДС можно было снять для дальнейшего использования. По сути, «сэндвич»-сборка из нескольких электронных приборов. Использование ее оправдано более высоким КПД «сэндвичей», который эффективно использовать вкупе с солнечным концентратором (линзой или зеркалом). Если «сэндвич» позволяет поднять КПД по сравнению с кремниевым элементом, например, в 2 раза—с 17 до 34%, то за счет концентратора, увеличивающего плотность солнечного излучения в 500 раз (500 солнц), можно получить выигрыш в 2 × 500 = 1000 раз! Это выигрыш в площади самого элемента, т. е. материала надо в 1000 раз меньше. Современные концентраторы солнечного излучения измеряют плотность излучения в тысячах и десятках тысяч «солнц», сконцентрированных на одном элементе.
Другой из возможных способов — получение материала, который может работать хотя бы на двух частотах или, точнее, с более широким диапазоном солнечного спектра. В начале 1960-х была показана возможность «мультизонного» фотоэффекта. Это своеобразная ситуация, когда наличие примесей создает полосы в запрещенной зоне полупроводника, что позволяет электронам и дыркам «прыгать через пропасть» в два или даже в три прыжка. В результате можно получить фотоэффект для фотонов с частотой 0,7, 1,8 или 2,6 эВ, что, конечно, значительно расширяет спектр поглощения и увеличивает КПД. Если ученым удастся обеспечить генерацию без существенной рекомбинации носителей на тех же примесных полосах, то КПД таких элементов может достигать 57%.
С начала 2000-х в этом направлении ведутся активные исследования под руководством В. М. Андреева и Ж. И. Алфёрова.
Есть еще интересное направление: поток солнечного света сначала расщепляется на потоки различных диапазонов частот, каждый из которых затем направляется на «свои» ячейки. Такое направление тоже может считаться перспективным, так как при этом исчезает последовательное соединение, неизбежное в «сэндвич»-структурах типа изображенной выше, лимитирующее ток элемента наиболее «слабым» (в это время дня и на данном материале) участком спектра.
Принципиальную важность имеет оценка соотношения солнечной и атомной энергетики, высказанная Ж. И. Алфёровым на одной из недавних конференций: «Если бы на развитие альтернативных источников энергии было затрачено только 15% средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства электроэнергии в СССР вообще не потребовались бы!»
Будущее гетероструктур и новые технологии
Интересна и другая оценка, отражающая точку зрения Жореса Ивановича: в XXI веке гетероструктуры оставят только 1% для использования моноструктур, т. е. вся электроника уйдет от таких «простых» веществ, как кремний с чистотой 99,99–99,999%. Цифры — это чистота кремния, измеряемая в девятках после запятой, но этой чистотой уже лет 40 как никого не удивить. Будущее электроники, полагает Алфёров, — это соединения из элементов A3B5, их твердых растворов и эпитаксиальных слоев различных сочетаний этих элементов. Конечно, нельзя утверждать, что простые полупроводники типа кремния не могут найти широкого применения, но все же сложные структуры дают значительно более гибкий ответ на запросы современности. Уже сегодня гетероструктуры решают проблему высокой плотности информации для оптических систем связи. Речь идет об OEIC (optoelectronic integrated circuit) — оптоэлектронной интегральной схеме. Основу любой оптоэлектронной интегральной микросхемы (оптопары, оптрона) составляют инфракрасный излучающий диод и оптически согласованный с ним приемник излучения, что дает простор формальной схемотехнике для широкого использования этих устройств в качестве приемо-передатчиков информации.
Кроме того, ключевой прибор современной оптоэлектроники — ДГС-лазер (ДГС — двойная гетероструктура) — продолжает совершенствоваться и развиваться. Наконец, сегодня именно высокоэффективные быстродействующие светодиоды на гетероструктурах обеспечивают поддержку технологии высокоскоростной передачи данных HSPD (High Speed Packet Data service).
Но самое главное в выводе Алфёрова не эти разрозненные применения, а общее направление развития техники XXI века — получение материалов и интегральных схем на основе материалов, обладающих точно заданными, рассчитанными на много ходов вперед свойствами. Эти свойства задаются путем конструкторской работы, которая ведется на уровне атомной структуры материала, определяемой поведением носителей заряда в том особом регулярном пространстве, которое представляет собой внутренность кристаллической решетки материала. По сути эта работа — регулирование числа электронов и их квантовых переходов — ювелирная работа на уровне конструирования постоянной кристаллической решетки, составляющей величины нескольких ангстрем (ангстрем — 10 –10 м, 1 нанометр = 10 ангстрем). Но сегодня развитие науки и техники — это уже не тот путь вглубь вещества, каким он представлялся в 60-е годы прошлого века. Сегодня во многом это движение в обратном направлении, в область наноразмеров — например, создание нанообластей со свойствами квантовых точек или квантовых проволок, где квантовые точки линейно связаны.
Естественно, нанообъекты — лишь один из этапов, которые проходят в своем развитии наука и техника, и на нем они не остановятся. Надо сказать, что развитие науки и техники путь далеко не прямолинейный, и если сегодня интересы исследователей сместились в сторону увеличения размеров — в нанообласть, то завтрашние решения будут конкурировать в разных масштабах.
Например, возникшие на кремниевых чипах ограничения по дальнейшему увеличению плотности элементов микросхем можно решить двумя путями. Первый путь — смена полупроводника. Для этого предложен вариант изготовления гибридных микросхем, основанных на применении двух полупроводниковых материалов с различными характеристиками. В качестве наиболее перспективного варианта называется использование нитрида галлия совместно с кремниевой пластиной. С одной стороны, нитрид галлия обладает уникальными электронными свойствами, позволяющими создавать высокоскоростные интегральные микросхемы, с другой — использование кремния как основы делает такую технологию совместимой с современным производственным оборудованием. Однако подход со стороны наноматериалов содержит еще более новаторскую идею электроники одного электрона — одноэлектроники.
Дело в том, что дальнейшую миниатюризацию электроники — размещение тысяч транзисторов на подложке одного микропроцессора — ограничивает пересечение электрических полей при движении потоков электронов в расположенных рядом транзисторах. Идея в том, чтобы вместо потоков электронов использовать один-единственный электрон, который может двигаться в «индивидуальном» временном графике и поэтому не создает «очередей», снижая тем самым напряженность помех.
Если разобраться, то потоки электронов в общем-то и не нужны — для передачи управления можно подать как угодно малый сигнал, проблема заключается в том, чтобы его уверенно выделить (детектировать). И оказывается, что одноэлектронное детектирование технически вполне осуществимо — для этого используется туннельный эффект, который является для каждого электрона индивидуальным событием, в отличие от обычного движения электронов «в общей массе» — ток в полупроводнике является коллективным процессом. С точки зрения электроники туннельный переход — это перенос заряда сквозь конденсатор, поэтому в полевом транзисторе, где конденсатор стоит на входе, одиночный электрон можно «поймать» по частоте колебаний усиливаемого сигнала. Однако выделить этот сигнал в обычных устройствах удавалось только при криогенных температурах — повышение температуры разрушало условия детектирования сигнала. Но температура исчезновения эффекта оказалась обратно пропорциональной площади контакта, и в 2001 г. удалось сделать первый одноэлектронный транзистор на нанотрубке, в котором площадь контакта была так мала, что позволяла работать при комнатных температурах!
В этом отношении одноэлектроника повторяет путь, который прошли исследователи полупроводниковых гетеролазеров — группа Алфёрова билась как раз над тем, чтобы найти материал, который обеспечит эффект лазерной генерации при комнатной температуре, а не при температуре жидкого азота. А вот сверхпроводники, с которыми связаны самые большие надежды по передаче больших потоков электронов (силовых токов), пока не удается «вытащить» из области криогенных температур. Это не только существенно тормозит возможности снижения потерь при передаче энергии на большие расстояния — хорошо известно, что перенаправление потоков энергии по территории России в течение суток приводит к 30%-ным потерям на «нагрев проводов», — отсутствие «комнатных» сверхпроводников ограничивает развитие хранения энергии в сверхпроводящих кольцах, где движение тока может продолжаться практически вечно. Недостижимым пока идеалом создания таких колец служат обычные атомы, где движение электронов вокруг ядра порой устойчиво при самых высоких температурах и может продолжаться неограниченно долго.
Дальнейшие перспективы развития наук о материалах весьма разнообразны. Причем именно с развитием науки о материалах появилась реальная возможность прямого использования солнечной энергии, сулящая огромные перспективы возобновляемой энергетике. Порой именно такие направления работы определяют будущее лицо общества (в Татарии и Чувашии уже планируют «зеленую революцию» и всерьез разрабатывают создание биоэкоградов). Возможно, будущее этого направления состоит в том, чтобы от развития техники материалов шагнуть к пониманию принципов функционирования самой природы, встать на путь использования управляемого фотосинтеза, который может быть распространен в человеческом обществе так же широко, как и в живой природе. Речь уже идет об элементарной ячейке живой природы — клетке, и это следующий, более высокий этап развития после электроники с ее идеологией создания приборов для выполнения какой-то одной функции — транзистора для управления током, светодиода или лазера для управления светом. Идеология клетки — это идеология операторов как элементарных устройств, осуществляющих некий цикл. Клетка служит не изолированным элементом для выполнения какой-то одной функции за счет внешней энергии, но целой фабрикой по переработке доступной внешней энергии в работу поддержания циклов множества различных процессов под единой оболочкой. Работа клетки по поддержанию собственного гомеостазиса и накопления в ней энергии в виде АТФ — захватывающая проблема современной науки. Пока биотехнологи могут лишь мечтать о создании искусственного устройства со свойствами клетки, пригодного для использования в микроэлектронике. И когда это произойдет, несомненно, начнется новая эра микроэлектроники — эра приближения к принципам работы живых организмов, давняя мечта фантастов и давно придуманной науки бионики, все еще не вышедшей из колыбели биофизики.
Будем надеяться, что создание научного центра инноваций в Сколково сумеет реализовать нечто подобное «эффекту спутника» — открыть новые прорывные области, создать новые материалы и технологии электроники.
Пожелаем успеха Жоресу Ивановичу Алфёрову на посту научного руководителя этого нового научно-технологического агломерата. Хочется надеяться, что его энергия и настойчивость будут залогом успеха этого предприятия.
Вся жизнь — науке
Ученые об Алфёрове
Алан Хигер, лауреат Нобелевской премии по химии (США): Нобелевский лауреат не только почетное звание, это некий статус, имея который, человек получает возможность быть услышанным. Его мнению доверяют и в самых высоких кругах, и обычные граждане. Долг ученого — просвещать население, а не вести исключительно затворнический образ жизни. У вас в стране этим занимается Жорес Алфёров. И в этом его громадная заслуга.
Ресурсы Земли иссякают. Для России это еще не так явно, как для других стран, которые уже ощутили кризис. И нам нужны альтернативные источники энергии. Большинство обычных людей воспринимают эти слова как некие страшилки от ученых. Они к ним если и прислушиваются, то думают, что проблема их не коснется, а настигнет планету через много поколений. Донести мысль, что это не так, под силу только ученым. Осенью я был приглашен Жоресом Ивановичем в Петербург. Это уже четвертая встреча нобелевских лауреатов, и это заслуга Жореса Алфёрова. Он проводит колоссальную работу по поддержанию и продвижению науки в своей стране.
Иван Иоголевич, преподаватель физики из Челябинска, депутат челябинского Законодательного собрания: Жорес Иванович работает над созданием полупроводниковых гетероструктур и быстрых опто- и микроэлектронных компонентов. Все, что мы имеем сегодня в области компьютерной техники, во многом определяется именно этим открытием. Оно применяется в информатике и во многом определило развитие современной компьютерной техники. Несмотря на то что оно сделано достаточно давно, в начале 1970-х годов, Нобелевская премия за него была присуждена только в 2000 году, видимо, потому что общество только сейчас осознало его значение.
Жорес Иванович является учредителем фонда, который поддерживает физико-математические школы Санкт-Петербурга. Мне эта позиция очень импонирует, поскольку ученый думает о молодежи, которая в будущем может прийти в науку.
Любая страна гордится своими лауреатами. Государственная безопасность определяется в том числе и реализованным интеллектуальным потенциалом.
* Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Характерные значения ширины запрещенной зоны в полупроводниках составляют 0,1–4 эВ. Примеси могут создать полосы в запрещенной зоне — возникает мультизона.