Новая жизнь квантовой механики

Сравнительно недавно, в 2017 году, на базе ФИАН был организован Центр высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов имени В. Л. Гинзбурга. Это научное подразделение уверенно заявляет о себе в самых актуальных областях, в частности, в физике конденсированного состояния: изучении строения и электронной структуры материала на масштабах вплоть до нескольких ангстрем. Что немаловажно и что отличает этот Центр от многих других — здесь реализован полный цикл научного исследования, начиная с изготовления образца нового материала в «ростовой зоне» с последующей его характеризацией и постановкой самого эксперимента и завершая созданием наноструктур на его основе. О тонкостях поэтапной научной работы узнал корреспондент журнала «За науку».

 

Все время с нуля

Идея создания такой научной структуры как Центр была выдвинута Нобелевским лауреатом академиком Виталием Лазаревичем Гинзбургом (теперь Центр носит его имя). Более десяти лет назад Гинзбург убедил Владимира Пудалова, доктора физико-математических наук, выпускника МФТИ в смене тематики исследований, чтобы заняться проблемой высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку твердо верил в перспективность данного направления и в возможность достижения сверхпроводимости при комнатной температуре. Вместе они разработали концепцию современного научного центра, проект которого, после несколько стадий обсуждения, был одобрен и, наконец, воплотился в жизнь.

До этого Владимир Пудалов проработал несколько лет в Канаде, затем — в различных лабораториях Австрии, Нидерландов и США. Здесь же, в России, ему пришлось все начинать с нуля, чтобы спустя 12 лет создать ту высококлассную научную лабораторию, которую мы можем увидеть теперь; сплотить вокруг себя коллектив молодых ученых-единомышленников.

 

Кремниевый век на исходе

На протяжении последних 70 лет кремниевая электроника все глубже и глубже проникала в нашу жизнь: вначале через созданные на основе кремния полупроводниковые электронные приборы и устройства, а теперь уже и через использующие их информационные технологии. Однако с развитием технологии, которое требует постоянного уменьшения размеров электронных схем, разработчики сталкиваются с проблемой отвода тепла, которое неизбежно выделяется в полупроводниковых элементах, и при высокой плотности их упаковки может приводить к выходу прибора из строя. Это ограничивает возможность повышения интеграции, которая необходима, если мы хотим, чтобы компьютеры работали как можно быстрее и были как можно более мощными и умными. Поэтому в Центре работают над разработкой и других технологий передачи информации, в частности, технологией спинтроники, где перенос информации осуществляется не с помощью заряда электрона, а с помощью его спина.

Второе дыхание

Спинтроника реализуется в Центре как одно из направлений в исследованиях так называемых «квантовых материалов». Данный термин, как и понимаемые под ним твердотельные структуры, был известен научному сообществу еще 10–15 лет назад, но пора ярких ощутимых результатов пришлась именно на последние годы. Вся квантовая механика, казалось бы, полностью описанная еще восемьдесят лет назад и жившая в своем неизменном виде столь долго, обрела второе дыхание: «Мы называем это второй квантовой революцией, — рассказывает руководитель Центра. — Открыты новые материалы, имеющие удивительные свойства, открыты новые классы симметрии. Квантовые материалы таковы, что их свойства совершенно не описываются классической физикой. Раньше мы знали, что есть изоляторы, есть металлы. А теперь появились материалы таких типов, которых раньше не было. Это топологические изоляторы, дираковские полуметаллы. Как раз-таки Нобелевская премия была присуждена выпускникам физтеха Гейму и Новосёлову за дираковский полуметалл — графен. Да и топологические изоляторы еще ждут своей премии. А здесь, в лабораториях, мы сами творим такой материал, какой хотим, с желаемым спектром электронов, а затем собираем атомно-послойно гетероструктуры: из монослоев, из чешуек делаем такие структуры, которые в природе сами по себе не вырастают».

 

«Хрупкие» технологии

Квантовые материалы невозможно «конструировать» в привычных для повседневной жизни условиях, равно как невозможно изучать в таких условиях сверхпроводимость, которая является главным направлением исследований в Центре. Поэтому в лабораториях, где создаются наноструктуры, речь неизбежно заходит о таком понятии, как классы чистоты: «По международной классификации чистоты помещений, самый высокий уровень из тех, что у нас есть, — это 5, — делится Владимир Моисеевич. — Надо, чтобы ни одна пылинка не попала на структуру во время изготовления, иначе все будет испорчено. В этих условиях оказывается возможным создавать искусственные структуры размерами до 2 нанометров, а также исследовать их свойства с субатомным разрешением. Операция изготовления столь малых объектов выполняется с помощью фокусированного пучка ионов, которым, как скальпелем, можно вырезать структуры не только двумерные, но и трехмерные. Для работы с таким оборудованием необходимы навыки в решении суперсложных инженерных задач.Каждая установка здесь практически не имеет аналогов, поэтому перед работой на такой установке необходимо пройти специальное обучение».

Сотрудники Центра, освоившие работу на самом современном нанотехнологическом оборудовании, могут продолжить свое обучение и пройти стажировку в ведущих научных лабораториях Германии, Франции, Нидерландов, Англии – в дружественных лабораториях, с которыми ведутся совместные исследования.

 

На нанометровке

Понимание уровня филигранности, требуемого для «общения» с квантовыми материалами, приходит в сравнении с ремеслом героя известного рассказа: Левша со своей блохой и крошечной (не такой уж крошечной в масштабах десятков нанометров) наковальней остался далеко позади. Да, теперь мы можем сделать детальную «зарисовку» структуры квантовых материалов не на привычной инженерам старой закалки миллиметровой бумаге, а на нанометровой. Однако в своем желании «дойти до самой сути» ученые, в частности исследователи Центра, копнули еще глубже и теперь видят объекты размером в десятые и сотые доли нанометра в отличном разрешении.

«Здешние установки уникальны тем, что с их помощью можно анализировать локально, смотреть, что происходит в окрестности буквально одного атома, как устроено электронное состояние в материале, — поясняет Леонид Моргун, младший научный сотрудник Центра. — Мы наблюдаем, как электронные волны интерферируют, какие при этом возникают особенности».

Это дает возможность изучать эффекты, возникающие в материалах, соединяющих свойства сверхпроводника и топологического изолятора. В них ученые могут наблюдать предсказываемые теорией новые квазичастицы, так называемые фермионы Майорана, которые безуспешно пытаются обнаружить в экспериментах на ускорителях.

Наукоемкий конструктор

Как бы иронически это ни звучало, но на столь ничтожных межатомных расстояниях есть где развернуться масштабному творческому процессу. По словам Александра Кунцевича, старшего научного сотрудника ФИАН и выпускника МФТИ, слоистость многих веществ позволяет расщеплять эти материалы и собирать гетероструктуры: «класть в стопку» пласты по одному или по несколько атомарных слоев, обладающих различными свойствами, пытаясь «наиграть» новое качество. Данный принцип конструктора может быть использован для создания новых материалов, объединяющих различные свойства, например, полупроводника и сверхпроводника, только в данном случае вместо слоев применяются вкрапления различных веществ в основной проводник, который, кстати говоря, сам по себе должен быть неклассическим: «Двумерные классические системы делают из широкозонных полупроводников: арсенида галлия, кремния. Но постепенно мир сместился в сторону узкозонных материалов (их сейчас используем и мы), у которых ширина запрещенной зоны мала. Когда зоны находятся близко друг к другу, они начинают перемешиваться. И возникают удивительные зонные топологии, — рассказывает Александр Кунцевич. — Поскольку нашим полупроводникам нужно было дрейфовать в сверхпроводники, мы, как и весь мир, решили эти проводники залегировать. Так из узкозонных полупроводников получились топологические сверхпроводники».

 

Температурный парадокс

«Здесь присутствует установка, которую мы используем в основном для транспортных исследований сверхпроводников и топологически нетривиальных материалов, а также вейлевских и дираковских металлоидов. Это крайне современная физика. Например, в этом году у нас вышла статья в Physical Review B: была открыта сверхпроводимость в пленках топологически нетривиального вещества, арсенида кадмия, который сейчас активно исследуется, — делится Леонид Моргун. — Оказалось, что сверхпроводящий переход происходит при достаточно низких температурах порядка нескольких сотен милликельвин. Вот такой парадокс: для того, чтобы исследовать высокотемпературную сверхпроводимость, нужно иногда спуститься в как можно более низкие температуры. Собственно, поэтому даже в Центре высокотемпературной сверхпроводимости нужны и сверхнизкие температуры».

 

Зачем искать сверхпроводник?

На сегодня глобальной целью своей работы сотрудники Центра видят получение сверхпроводников с как можно более высокой температурой сверхпроводящего перехода. Но, к великому сожалению, никто до сих пор не знает, при каких обстоятельствах такой материал отыщется: где-то ученые просто перебирают вещества в надежде набрести на то, которое неожиданно начнет сверхпроводить. В Центре же дорога к заветному сверхпроводнику вымощена не случайными «научными тыками», а полноценными фундаментальными исследованиями. Поэтому на пути к главной цели появляется ряд более мелких задач, которые также необходимо решить.

Почему именно сверхпроводимость находится сейчас под столь пристальным вниманием? С какими принципиальными трудностями она позволит бороться? На этот вопрос вновь отвечает руководитель Центра Владимир Пудалов: «Весь мир глобально идет к исчерпанию ресурсов, поэтому очень серьезно нужно думать об экономии электроэнергии. Наша энергия добывается в Сибири, а потребляется здесь. Использование линий электропередач при таких больших расстояниях предполагает колоссальные потери электроэнергии на джоулево тепло. Сверхпроводимость, в принципе, может свести эти потери к нулю. Однако пока сверхпроводящие кабели слишком дороги и, кроме того, требуют на всем своем протяжении охлаждения до достаточно низких температур. Наша же задача — сделать эти системы доступными. Одно из решений данной задачи – создание материалов, сверхпроводящих при комнатной температуре. Успехи и достижения последних лет обнадеживают!»