«Для многих молодых людей путь в науку начинается с опытов на кухне». Интервью с физиком Александром Кунцевичем

Что такое двумерные материалы? Какие новые возможности открывает их изучение? Какие в этой области есть успехи у российских физиков? Рассказывает Александр Юрьевич Кунцевич, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории спиновой физики двумерных материалов ФИАН.

— Мы находимся в лаборатории спиновой физики двумерных материалов. Чем вы здесь занимаетесь?  

— Мы пытаемся понять что-то новое про двумерные материалы. Это широкий класс материалов, интерес к которому возник в связи с открытием Андрея Гейма и Константина Новоселова в начале 2000-х гг. Они расщепили графен, а потом оказалось, что существует очень много материалов, которые также можно расщепить. Слоистые материалы — это, например, минералы слюда или молибденит. Таких минералов существует много, но их также можно выращивать в лабораторных условиях.

— Почему важна эта двумерность?

— Двумерность интересна двумя вещами. Первое — это способ конструирования. Когда раньше люди думали об электронике, о каких-то оптических приборах, они были вынуждены опираться на такие процессы, как напыление. А когда столкнулись с двумерными материалами, выяснилось, что можно взять слой, который слабо держится ван-дер-ваальсовыми связями, отщепить его и перенести на произвольную подложку. Это открывает совершенно новые возможности.

Второе, что интересно в двумерных материалах, — можно получить монослой, бислой, трислой, разное количество слоев, и от этого количества слоев физика материала, его свойства зависят сильнейшим образом. Вы можете управлять свойствами структуры за счет ее наноструктурирования, за счет того, что делаете слои разной толщины. Вы можете уйти в монослойный предел, который очень привлекает исследователей, потому что тоньше некуда. Один атом — куда тоньше!

— И вы говорите, их можно получать искусственно в лаборатории?

— Можно выращивать искусственно кристалл, а можно пленку. Пленку всегда вырастить сложнее, чем кристалл. Чтобы вырастить пленку, вы должны осаждать на какой-то подложке, в вакууме вещество, чтобы заставить вырасти этот слой, и вовремя прекратить этот процесс. Это сложная задача. Возьмем, например, десульфид молибдена — один из самых перспективных двумерных полупроводников. Еще в позапрошлом году китайские исследователи смогли вырастить его монослой размером с полупроводниковую подложку. Но уже в этом году они на этом же монослое создали первый процессор. Это свежая, интересная и очень перспективная работа.

— В вашей лаборатории вы тоже выращиваете такие пленки?

— Мы не выращиваем. Это требует больших вложений, и это все-таки не масштаб исследовательской лаборатории. Большинство исследовательских лабораторий, мы в том числе, работают с монокристаллами. Мы можем от них отщепить тонкий слой и исследовать его разными способами. Что мы умеем и любим делать? Мы можем пропускать ток через этот образец, смотреть на нем напряжение, кинетику, электрические характеристики, шумы, вольт-амперные характеристики. То есть то, что потом ляжет в основу электронных приборов. И второе, что мы можем, — воздействовать светом. Это то, что ляжет в основу фотонных или оптоэлектронных приборов. Фактически мы охотимся за тем, что может детектировать свет, за фотодетекторами, и за тем, что может испускать свет, за источниками света.

— Видела, у вас здесь есть еще и лазеры.

— Лазер — это метод исследования. Дело в том, что вся оптика и физика в целом была поделена изобретением лазера на долазерную и послелазерную эры. Лазерное излучение дает исследователям много возможностей.

— Ведь за лазеры была получена Нобелевская премия сотрудниками вашего института академиками А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым.

— Да, это правда. Но наука не строится только из открытий нобелевского уровня. Мы все сюда приходим, чтобы открывать новое о природе. Открытия бывают маленькие, бывают побольше. Работая в науке, вы открываете для себя что-то новое каждый день. Это и есть наука. Приведу пример. Мы очень хотели сделать сверхпроводящий транзистор. Пока не получилось, но мы на пути к этому. Это был бы очень хороший прибор, потому что полупроводниковая электроника работает при комнатной температуре. Но есть сверхпроводящая электроника, например квантовый компьютер, и хочется управлять тем, что находится при очень низкой температуре внизу криостата, с помощью каких-то цифровых сигналов сверху, то есть от управляющей электроники. Для этого нужен интерфейс, «холодный» коммутатор, который бы управлял процессом и к нему не шло бы много проводов. Если вы отправляете провода из комнатной температуры в очень холодную, то они работают как кипятильник и поддержание сверхнизкой температуры становится технически тяжело. Поэтому хочется иметь транзисторы при гелиевой температуре, которые бы управляли сверхпроводящим током. Это сверхпроводящий транзистор. Наша базовая идея — создать его на основе графена. Для этого к графену нужно сделать два сверхпроводящих контакта, которые бы делились с ним своей сверхпроводимостью. Такой эффект передачи сверхпроводимости называется эффектом близости. За него, кстати, тоже была получена Нобелевская премия.

— Таким образом можно, управляя графеном, включать и выключать сверхпроводимость?

— Да, это и будет сверхпроводящий транзистор. Но для этого нужен был подходящий материал сверхпроводящего контакта. Мы перебирали разные материалы. Есть проблема: большинство материалов на воздухе окисляются, покрываются пленкой оксида и становятся нетехнологичными. Мы искали такой, который не покрывается пленкой. Перебрали всю таблицу Менделеева, обратили внимание на рений — металл, стоящий перед платиновой группой, почти благородный, и он плохо окисляется. У него довольно низкая сверхпроводящая температура — всего два градуса выше абсолютного нуля. Мы напылили пленку по-своему, и у нее стала критическая температура 7°. То есть она стала гораздо более высокотемпературной. Это очень важно для технологий, для приборов, потому что 4,2° — температура кипения жидкого гелия. Это очень хорошее продвижение, а получилось, в общем-то, случайно. Это пример открытия.

— А ведь бывают еще работы-закрытия…

— Кстати, не менее ценные. Закрытие — это когда в чем-то разобрался. Все, тема закрыта, больше ничего тут нет, все понятно. Бывают работы, в которых развивают тему. То есть часть вопросов закрыли, а что-то открыли. Разные бывают работы, и все они важны и нужны.

— Перед нами на экране, как я понимаю, вариант такого двумерного материала. Расскажите, что мы видим?

— Это кремниевая подложка, на которую мы перенесли при помощи скотча различные тонкие кристаллы. Это увеличенная под микроскопом картинка. Как работает слоистый материал? Можно попробовать даже дома со слюдой. Взять слюду, положить ее между двух обкладок скотча и развести эти обкладки, и у вас окажется на каждой из них по кусочку слюды. Потом берете, прикладываете снова, разводите, и эти слои становятся тоньше и тоньше. А потом надо прижать их к кремниевой пластине. И часть этих чешуек, которые лежат на скотче, перейдут на кремниевую пластину и прилипнут к ней. Они не образуют химической связи, но тем не менее зацепятся за кремниевую пластину и останутся на ней лежать. По такой пластине можно посканировать, поискать, что на ней лежит. На экране видны области потемнее, посветлее. В наиболее светлых областях можно найти монослой, но за ним надо поохотиться. Обычно большой, красивый монослой с первого раза найти не удается.

— Допустим, вы нашли этот монослой, что дальше?

— Дальше выясняются удивительные вещи. Например, вы начинаете освещать его зеленым или синим лазером. Оказывается, что для дихалькогенидов переходных металлов, в нашем случае — дисульфида молибдена, монослой светится и лучше улавливает свет, а двуслой уже перестает светиться. Это фундаментальное свойство, оно связано с зонной структурой, как говорят в физике полупроводников. То есть материалы, которые хорошо излучают свет, — это так называемые прямозонные полупроводники, а которые плохо излучают — это не прямозонные полупроводники. Так можно радикально поменять свойства в монослойном материале. Это очень привлекает исследователей.

— Вы говорите, это можно сделать даже дома. А зачем?

— Просто из любопытства. Как бы я стал это делать дома? Можно взять молибденит. Это недорогой минерал, его можно найти. Он добывается массово в качестве молибденовой руды. Нужно взять скотч с молибденитом и приложить к стеклу. Потом надо посветить на стекло фиолетовым лазером и посмотреть через желтое стекло. Тогда вы увидите желтое подсвечивание от монослоев, не сильное, это не очень ярко светящийся материал. А от других слоев вы ничего не увидите, потому что желтое стеклышко не пропускает рассеянный фиолетовый свет лазера.

— Допустим, я все это воспроизвела. Что я могу с этим сделать?

— В домашних условиях вы вряд ли сможете с этим что-то сделать. Нужна технология.

— Но зато я лучше начну понимать физику?

— Чтобы понимать, надо еще книжку прочитать. Физика твердого тела — наука, которая изучает электроны в кристаллах, как эти электроны взаимодействуют со светом, со звуком. Эта наука не такая простая, но и не очень сложная. Чтобы ею заняться, нужно знать некоторые основы, например квантовую механику. Если вы таким интересуетесь, то это будет очень хорошим мотиватором разобраться, пусть даже дома. Вообще для многих молодых людей интерес к науке начинается с опытов на кухне. Не надо этим пренебрегать.

— Есть ли у вас какие-то оригинальные разработки?

— Вот перед вами оригинальная разработка — этот микроскоп. Когда мы занялись двумерными материалами, выяснилось, что на них надо смотреть под микроскопом. У ученых никогда не бывает много денег, и мы поняли, что нам не хватает микроскопов. Поскольку купить его мы не могли, в один прекрасный момент напечатали этот микроскоп на 3D-принтере.

— Серьезно? Знаю, что ученые часто сами мастерят себе аппаратуру, но чтобы взяли и напечатали микроскоп, такое слышу впервые.

— Мы тоже таких примеров не нашли. Понятно, что там есть линзы. Их мы напечатать не можем. Но линза стоит несопоставимо дешевле, чем готовый прибор. Мы даже опубликовали это в образовательном журнале.

— Это обычный микроскоп или какой-то особенный?

— Это обычный металлографический микроскоп. Для нас его уникальность в том, что мы его можем масштабировать. Мы делаем на его основе разные установки. Вот тут, рядом, тоже полностью самодельная установка, которая позволяет переносить двумерные материалы.

— Вы часто говорите о ван-дер-ваальсовой связи. Что это такое?

— Связь Ван-дер-Ваальса — это когда нет ковалентной связи. Почему все материалы слоистые? Потому что у них все ковалентные химические связи внутри слоя. А между собой слои связаны слабо. Вы можете оторвать один слой от одного слоистого кристалла, один слой от второго, сложить, получить гетероструктуру. Наш с вами соотечественник Жорес Иванович Алферов получил Нобелевскую премию за создание гетероструктур, но они состояли из трехмерных материалов, в которых между слоями как раз есть химические связи. Гетероструктуры Ж.И. Алферова были получены методами молекулярно-лучевой эпитаксии. Это сложный, довольно дорогостоящий процесс, который требовал высокого вакуума, поддержания стабильных температур и потоков.

— А создание ван-дер-ваальсовой гетероструктуры — это что-то дешевое?

— Да! Раньше физики должны были стоять в очереди к технологам и ждать, пока технолог пришлет им заветную структуру. А в области двумерных материалов физик может сам себе создать образец. Это очень подкупает. Эта область расширилась, и в России этим, помимо нас, занимаются несколько групп, а в мире это сотни лабораторий. И не надо стоять в очереди.

— Какие вы видите перспективы?

— Перспективы обширные, если говорить о фундаментальной науке. Можно сделать очень много открытий. Но перспективы сделать что-то рабочее пока не очень большие. Экономика требует массового продукта, но вы не можете отмасштабировать работу с отдельной чешуйкой, сделать тысячи одинаковых приборов.

— Почему?

— Потому что если вы посмотрите в микроскоп, то все чешуйки разные. Нет двух одинаковых. Одна немножко по-другому повернута, на второй чуть отличаются складочки… Физику исследовать можно, прибор сделать нельзя. Это проблема. Бизнес спрашивает: что тут можно сделать? Ученые пожимают плечами: давайте ждать, пока появится технология создания больших пленок. Но большие пленки не такие качественные, как монокристаллы. Их тяжело сделать. Видите, только два года назад смогли нанести первый монослой дисульфида молибдена размером с подложку. Все идет не так быстро, как хотелось бы. То есть речь о том, что будет когда-нибудь в далеком светлом будущем...

— Если немножко помечтать про это будущее, что вы себе представляете? Какие приборы на основе ваших разработок могут появиться?

— Было бы очень хорошо, если бы что-то появилось. Но я бы не загадывал, если честно. Вот, например, тот же дисульфид молибдена, о котором я вам говорил. На нем реализован самый маленький транзистор. Такой невозможно реализовать по кремниевой технологии. Ширина канала этого транзистора — около нанометра. Но он был реализован в единичном формате. Как создать массовое производство, пока непонятно. Если люди как-то пробьют «узкое горлышко» и научатся масштабировать этот монослой, то смогут повысить степень интеграции, то есть сделать гораздо больше транзисторов на чипе. Это значит, что процессор будет занимать меньше места.

— То есть у нас будет маленький компьютер?

— Да, компьютеры станут меньше. Дисплей смартфона будет такой же, как сейчас, но раз вы можете упаковать на один квадратный миллиметр больше транзисторов, значит, вы можете сделать его гораздо более могучим. То есть вы, например, сможете установить туда еще систему искусственного интеллекта, что сегодня требует достаточно мощного компьютера, обычно многопроцессорного. Когда процессоры станут меньше, вы сможете реализовать эти функции в карманном устройстве.

— Вы заговорили про искусственный интеллект. Он вам каким-то образом помогает в работе?

— И помогает, и мешает. ИИ — это, во-первых, консультация. Ему можно задать любой вопрос, уточнить, кто что-то делал, понять новизну, сформулировать свою мысль.

— Сформулировать свою мысль? Разве не полезно человеку самому учиться это делать без помощи ИИ?

— Иногда надо вычистить мысль. Научный текст должен быть ясным, целенаправленным и по существу. Когда человек говорит вслух, как я сейчас, он допускает много сорных слов, иногда говорит не о том, а когда вы уже пишете статью в научный журнал, там не должно быть ничего лишнего, только все самое нужное, что познакомит мир с вашим конкретным открытием. Подготовить хороший, качественный научный текст — это большой труд. Для этого надо понимать структуру текста. И тут ИИ, конечно, помощник.

— Вообще наука — это большой труд. Вы не думаете, что здесь есть некая опасность, когда человек просто разучится формулировать свои мысли? Это и сейчас для многих проблема.

— Да, это опасность: когда люди начинают пользоваться ИИ, естественный интеллект деградирует. Мы должны учиться жить в эпоху ИИ, а мы пока этого не умеем. Приведу пример из недавнего прошлого. В начале 2010-х гг. появились соцсети, и люди начали выкладывать туда информацию про себя. Это явление сделало нашу связность как человечества более глобальной, и оно было переосмыслено. Сейчас уже никто не выкладывает в соцсети все свои фотографии и свои мысли. Все относятся к этому гораздо осторожнее. Думаю, ИИ ждет примерно такое же переосмысление. Но это не единственное, где мы его используем. ИИ — понятие широкое. Существуют так называемые большие языковые модели. Это такая нейросеть, на обучение которой было затрачено много тераватт-часов электроэнергии. В процессе обучения они потребляют электричество, как целый город, — центры обработки данных очень «прожорливые». Это действительно работа с большими объемами данных. А можно сделать маленькую нейросеть на масштабе своего отдельного компьютера, которая будет решать одну локальную задачу. Это не искусственный интеллект, а просто машинное обучение. Машина тренируется для выполнения чего-то специализированного. Мы этим тоже занимаемся.

— Например?

— Например, это задача машинного зрения, когда мы, рассматривая подложку с двумерными кристаллами, должны увидеть подходящий нам образец. Чтобы не глазом искать, а быстренько все обсмотреть и сказать, что это он, наш дисульфид молибдена — кристалл слоится хорошо, и с первого раза можно найти монослой. А бывают такие кристаллы, где монослой надо искать целыми днями и он там очень маленький. А хочется найти, ведь в нем же уникальная физика. И хорошо бы, чтобы сканер просматривал подложку автоматически и находил монослой.

— Тут я не стану спорить, что действительно хорошо бы получить помощь.

— И у нас такая система тоже создается.

— На вашем сайте есть призыв к молодежи: «В нашу группу требуются студенты с руками и головой…» Приходят такие?

— Когда они приходят, умеют не все. Может быть, потому и приходят. Но они все с руками и с головой. Моя группа — это человек 12–15. Кто-то остается, кто-то уходит. Когда я начал создавать свою группу, понял, что студенты сами не появятся.

— А они вам нужны?

— Конечно. Разделение труда приводит к повышению производительности. Когда один раз сам проделал что-то руками, потом уже скучно. Хочется переходить на следующий уровень, придумывать. А студенту для вхождения в нашу область это полезно. Он учится, а учась, будет вместе со мной работать. Мы так лучше сделаем работу.

— И вы создадите свою научную школу.

— Да, так и происходит, это нормальный процесс. Такой подход к обучению, когда студент полностью, до винтика понимает свою установку, заложен еще Петром Леонидовичем Капицей — это его школа, которая у нас продолжается и развивается. Я горжусь, что закончил основанную им кафедру физики и техники низких температур МФТИ. Но студентов надо где-то взять. И я понял, что лучший способ — пойти преподавать. Сначала я преподавал в родном Московском физико-техническом институте на кафедре общей физики. Ребята искали научного руководителя и приходили ко мне. Сейчас они уже подошли к защите диссертаций. А потом мы создали с коллективом коллег факультет физики в Высшей школе экономики. Я там преподаю до сих пор, и сейчас оттуда идет поток студентов. Я стараюсь подбирать задачу каждому индивидуально. Иногда бывает, что студент падает как с неба.

— Это как же?

— У меня есть замечательная аспирантка. Она училась в МГУ, в какой-то момент ей захотелось поменять сферу деятельности. Попробовала в одном разделе физики — не понравилось. Увидела объявление на нашем сайте, ее эти слова зацепили, связалась со мной, пришла и вот уже четыре или пять лет работает и достигает замечательных результатов. Именно она получила этот сверхпроводящий рений.

— Чем студенты вас радуют и вдохновляют?

— У них есть энергия и задор. Они не боятся браться за какие-то проблемы, не видят препятствий. Иногда они не знают, что это невозможно, и берутся за это.

— Они делают невозможное?

— Они делают то, за что я бы не взялся, но это удивительным образом оказывается возможным сделать студенту. Я ставлю студенту задачу, и он ее решает не так, как я думал, он ее решит, а в итоге получается в десять раз лучше. Например, у нас была поставлена методика фотопроводимости с временным разрешением. Это интересный метод. Смысл такой: стреляете в двумерный материал лазером, и, когда прилетает много света, материал взаимодействует со светом и возбуждается электронная система. В каждом материале она возбуждается по-разному, но потом ей надо какое-то время, чтобы прийти в себя. И обычно электронная система приходит в себя довольно быстро, за считаные пикосекунды. Но бывают процессы, когда она делает это долго. Например, в полупроводниках по разным причинам это могут быть наносекунды.

— Ничего себе долго...

— По меркам физики твердого тела — долго. Бывают микросекунды. Удивительным оказалось то, что эти наносекунды можно измерять. Я поначалу не верил. Думал, что не получится. Но сработало. Теперь мы активно пользуемся этим методом, исследуем фотопроводимость, фотопереключение.

— Какие это вызывают чувства? Нет ли ревности, что студент оказался умнее вас?

— Нет, это же я ему поставил задачу. Это мой ученик. Конечно, мне очень приятно, когда у студента получается результат. Когда человек выходит с готовым результатом, открытием какого-то явления, это всегда очень радует. Обычно это диплом или несколько научных работ, то, что потом лежит в основе диссертации. Это то, из чего происходит рост человека. Совершая работу, он переходит на более высокий уровень понимания, и я очень рад, что могу этому способствовать.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ