Жорес Иванович Алферов — одно из наиболее ярких светил в созвездии российской и мировой науки. Без его открытий и изобретений невозможно было бы появление сотовых телефонов, лазерных проигрывателей, солнечных элементов для космических батарей и многого другого, без чего немыслимой представляется современная цивилизация и наша повседневная жизнь.
Апофеоз
Представьте себе залитый блеском тысяч ламп зал Концертного зала в Стокгольме: на сцене торжественно восседают члены Шведской Академии наук и Нобелевского комитета, в первом ряду волнуются лауреаты — черные фраки, белые бабочки, серебряные седины... Вот под звуки гимна Швеции в зал вступает королевская семья в сиянии драгоценностей, орденов и славы старинного монаршего рода. Король внимательно выслушивает короткие сообщения о сути исследований, удостоенных премии, и лично вручает диплом каждому лауреату. Награжденные медленной поступью, так чтобы не опередить монарха (таков протокол), выходят не сцену, принимают из высочайших рук главное свидетельство своих заслуг, три торжественных поклона — королю, членам Академии, зрителям. Затем выступление оркестра королевской филармонии, торжественный ужин... Церемониал разработан до мелочей и за сто лет существования премии не претерпел изменений.
10 декабря 2000 г. Нобелевская премия в области физики «За развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники» была вручена Ж.И. Алферову и американскому ученому Г. Кремеру, а также американцу Д. Килби за основополагающий вклад в создание интегральных схем. Примечательно, что работы Ж.И. Алферова, отмеченные высокой наградой, проводились еще в 1960–1970-х гг. и именно им мы обязаны новейшими достижениями нынешних передовых технологий. XX в. был веком физики, веком невиданного прорыва в неведомые прежде области, такие как ядерная энергетика, микроэлектроника, поэтому весьма показательно и даже, пожалуй, символично, что на рубеже веков и тысячелетий давно заслуженная награда наконец увенчала долгие годы неустанных поисков и трудов.
Начало
Но даже самый длинный путь начинается с первого шага. Свои первые шаги, в прямом и в переносном смысле, будущий нобелевский лауреат сделал в Витебске — его родители, Иван Карпович и Анна Владимировна, родом из Белоруссии. Отец, начавший службу в царской армии в чине унтер-офицера, в гражданскую войну уже командовал кавалерийским полком в Красной Армии. В 1935 г. Алферов-старший закончил Промакадемию и затем по долгу службы объездил всю страну вместе с женой и двумя сыновьями — старшим Марксом и младшим Жоресом («коммунистические» имена дал детям отец).
Начало войны совпало с назначением И.К. Алферова директором завода по производству пороховой целлюлозы, расположенного на Урале, в г. Туринске. Жорес Иванович учился в местной школе и летом работал на заводе. Война больно ранила семью Алферовых — в ходе Корсунь-Шевченковской операции погиб в бою 20-летний гвардии младший лейтенант Маркс Алферов — старший брат Жореса Ивановича.
С окончанием войны закончился и уральский период жизни — 9 мая 1945 г. Иван Карпович был вызван в Москву и получил новое назначение. Семья переехала в разрушенный войной Минск. Тут-то и произошла встреча девятиклассника Жореса Алферова с судьбой. Она явилась в облике влюбленного в свой предмет школьного физика Якова Борисовича Мельцерзона, который очаровал весь класс вдохновенными повествованиями о работе катодного осциллографа и принципах радиолокации. После окончания школы Жорес Иванович отправился в Ленинград продолжать знакомство с физикой.
Золотой медалист без вступительных экзаменов был принят на факультет электронной техники Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) им. В.И. Ульянова (Ленина). Здесь, освоив теорию, он погрузился в практические занятия. На третьем курсе он пришел в вакуумную лабораторию профессора Б.П. Козырева, где включился в экспериментальную работу. Научным руководителем Алферова стала Н.Н. Созина, человек мудрый и добрый, специалист по полупроводниковым фотоприемникам в инфракрасной области спектра. Так в жизнь Жореса Ивановича вошли полупроводники, с которыми он больше не расставался.
Физтех
В 1953 г. после окончания ЛЭТИ Алферов к своей несказанной радости получил распределение в Физико-технический институт АН СССР им. А.Ф. Иоффе (Физико-технический институт АН СССР носит имя выдающегося ученого и организатора науки А.Ф. Иоффе с 1960 г.). По его мнению, именно это событие и предопределило его счастливую научную судьбу.
За несколько лет до этого, в 1947 г., американскими учеными Дж. Бардиным, У. Браттейном и У.Б. Шокли были созданы первые транзисторы — полупроводниковые устройства, исследованием которых в начале 1950-х гг. энергично занялся Физтех. Младший научный сотрудник Алферов стал увлеченно работать. Кандидатская диссертация Жореса Алферова, защищенная в 1961 г., была посвящена разработке и исследованию германиевых и кремниевых мощных выпрямителей. В 1963 г. Ж.И. Алферов начал изучение полупроводниковых гетеропереходов.
Что слово сие означает?
Соединение двух различных по химическому составу полупроводников получило название гетероперехода. А полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами именуется гетероструктурой (принятое обозначение гетероструктур на основе соединений А и В — А/В, при этом соединения A и B называют гетеропарой).
Таким образом, гетероструктура представляет собой кристалл, в котором меняется химический состав и, соответственно, физические свойства. В итоге получается кристалл, обладающий совершенно иными качествами, чем исходный материал. А когда речь идет о наногетероструктурах, то вышеуказанные изменения происходят в наномасштабах (один нанометр — это 10 ангстрем или 10-9 метра). Старый друг Алферова, тоже нобелевский лауреат Лео Есаки как-то сказал, что гетероструктуры — это man-made crystals, то есть кристаллы, сделанные человеком. Все остальные гомоматериалы, полученные в лаборатории или обнаруженные в природе, это God-made crystals — кристаллы, созданные Богом.
Даже в классических гетероструктурах, где квантоворазмерные эффекты еще не действуют, минимальные (в доли микрона) изменения химического состава уже позволяли направлять движение потоков электронов и фотонов в другое русло, что дало возможность создавать приборы с принципиально новыми свойствами. Полупроводниковые лазеры, например, «научились» работать при комнатной температуре. Первый в мире полупроводниковый гетеролазер, непрерывно действовавший в таких условиях, зажегся в Физтехе в 1970 г. Так родились волоконно-оптическая связь, «иголки» в проигрывателях компактдисков и многое другое. Сегодня компоненты, основанные на гетероструктурах, используются почти во всех современных устройствах: в мобильных телефонах и солнечных батареях, в Интернете и светодиодах и т.д.
В поисках гетеропары
Защитив кандидатскую диссертацию, Алферов принялся за исследование гетеропереходов: как можно изменить их свойства, как на них воздействует изменение света, температуры, какое влияние оказывают магнитные и электрические поля, каковы особенности новых структур и т.д. Молодой ученый только что не ночевал в лаборатории.
В 1963г. Ж.И.Алферов и Г.Кремер независимо друг от друга сформулировали концепцию полупроводниковых лазеров на основе двойной гетероструктуры. Однако сначала научное сообщество с недоверием отнеслось к попыткам создания идеального гетероперехода с бездефектной границей, и сочли идею лазера на двойной гетероструктуре лишь красивой теорией, не способной привести к практическим результатам. Суть заключалась в том, что прежде всего требовалась подходящая гетеропара, т.е. два вещества с очень близкими постоянными решеток и сочетающимися параметрами. Кроме того, технологии выращивания полупроводниковых структур были в то время еще весьма примитивны. Впрочем, еще в 1915 г. было получено соединение AlAs, имеющее очень близкий к GaAs период решетки, т.е. уже тогда существовала практически идеальная гетеропара. Однако AlAs химически нестабилен и разлагается во влажной атмосфере, поэтому казалось, что изготовить на основе гетероструктур GaAs/AlAs реально применимые устройства вряд ли возможно. Ж.И. Алферов и его сотрудники взяли за основу другую гетеропару — GaAs/GaAsP (GaAsP —трехкомпонентный твердый раствор GaAsxP1- x). Однако в силу ряда обстоятельств полученная лазерная генерация происходила лишь при низких температурах. Приходилось искать другие варианты. И тут произошла одна из тех судьбоносных случайностей, которая определила дальнейшие исследования. Один из членов научной группы Ж.И. Алферова, Д.Н. Третьяков, узнал, что его товарищ из другой лаборатории А.С. Борщевский хранил в ящике стола мелкие, поликристаллические образцы твердого раствора AlGaAs, которые благополучно пролежали там более двух лет, и за это время с ними ничего не случилось. Исследователи были счастливы: гетеропара GaAs/AlGaAs позволяла создать решеточно-согласованную гетероструктуру, т.е. избежать возникновения в структуре напряжений. В основу дальнейших исследований легли эпитаксиальные методы, позволяющие управлять основными параметрами полупроводника, такими как ширина запрещенной зоны, величина электронного сродства, эффективная масса носителей тока, показатель преломления и т.д., внутри единого монокристалла. Изучение свойств гетероперехода GaAs/AlGaAs и усовершенствование технологии выращивания структур (жидкофазной эпитаксии) позволило в 1970 г. осуществить непрерывную лазерную генерацию при комнатной температуре. Открытие идеальных гетеропереходов и новых физических явлений — «суперинжекции», электронного и оптического ограничения в гетероструктурах — позволило не только поднять качество уже существующих полупроводниковых приборов, но и создать принципиально новые устройства, которые нашли применение в оптической и квантовой электронике. Новый этап исследований гетеропереходов в полупроводниках Жорес Иванович обобщил в докторской диссертации, которую успешно защитил в 1970 г. Достижения советских физиков дали мощный толчок стремительному развитию технологий полупроводниковых гетероструктур и квантовой полупроводниковой микроэлектроники.
Наука плюс образование
Однако не только наука увлекала Алферова. Он читал блистательные лекции студентам в ЛЭТИ и осуществил синтез науки и образования. Сама идея была не нова. Суть ее в том, чтобы действующие ученые вели занятия в вузах, а вузовская профессура имела возможность работать в академических институтах, выступать в роли консультантов на промышленных предприятиях. Еще в 1919 г. А.Ф. Иоффе организовал в Политехническом институте физико-механический факультет, где преподавали главным образом сотрудники Физтеха. Там читали лекции такие выдающиеся представители российской науки, как И.В. Курчатов, А.Л. Александров, Я.Б. Зельдович, М.И. Френкель, Ю.Б. Харитон, лауреаты Нобелевской премии П.Л. Капица, Н.Н. Семенов, Л.Д. Ландау. Увы, в 1955 г., в ходе очередной реформы Н.С. Хрущева не только прекратил свое существование физико-механический факультет, но пошатнулась и вся система высшего образования. В 1973 г. Алферов начал возрождать «союз физмеха и физтеха». Сегодня Физтех под руководством Алферова превратился в крупнейший научно-образовательный комплекс. В 1988 г. Ж.И. Алферов открыл в Политехническом институте физико-технический факультет. А еще раньше при ФТИ им. А.Ф. Иоффе был основан физико-технический лицей. В результате возникла мощная научно-образовательная база, в которую вошли лицей, кафедра оптоэлектроники ЛЭТИ и физико-технический факультет Технического университета. Разумеется, возникла необходимость собрать все подразделения под одной крышей. На это ушел не один год, и наконец 1 сентября 1999 г. здание Научно-образовательного центра (НОЦ) открыло свои двери слушателям. По мнению Алферова, разумное и плодотворное соединение науки и образования должно стать залогом возрождения не только системы высшего образования, но и государства в целом, поскольку в основе его процветания должна лежать наукоемкая промышленность, что невозможно без квалифицированных кадров и передовых технологий.
Золотой век физики
Нобелевская премия Алферова увенчала конец XX столетия, которое принято считать веком физики. Не следует думать, что эта наука исчерпала себя — наоборот, она вступает в некую новую фазу. Сто лет назад появилась квантовая физика, рождению которой способствовал кризис классической физики. Макс Планк выдвинул идею кванта излучения и получил верную формулу распределения спектральной плотности излучения. Затем Эйнштейн, основываясь на квантовой природе света, предложил теорию фотоэффекта. Так было положено начало развитию квантовой физики. Затем была создана квантовая механика: прежде всего, стоит упомянуть труды Вернера Гейзенберга, уравнение Эрвина Шредингера, работы Поля Дирака... Середина и конец 1920-х гг. стали периодом оформления этих наук, которое, однако, связано с определенным кризисом в понимании экспериментальных процессов. В области физики полупроводников подобный перелом еще не наступил.
Но вернемся немного назад. С тех пор как появились интегральные схемы, минуло уже более сорока лет, и все это время развитие микроэлектроники шло по пути непрерывного уменьшения размера основных компонентов, прежде всего транзисторов. Сегодня на одном кристалле, на одном кремниевом чипе умещаются сотни миллионов транзисторов. Их размеры таковы, что дальше уменьшать их невозможно в принципе. Все современные вычислительные машины построены на так называемой алгебре Буля, где переключение транзисторов происходит между состояниями «да/нет», «ноль/единица». В акте переключения сейчас участвует примерно тысяча электронов, через пять лет достаточно будет и десяти, а лет через пятнадцать хватит и пол-электрона. Здесь и начинают работать так называемые квантоворазмерные эффекты. В гетероструктурах они используются уже тридцать с лишним лет. Но наступает период, когда, вероятно, придется строить новые компоненты, в которых будет использоваться разница в спине электрона, в его вращении в ту или иную сторону.
Говорить о том, что предстоит новая революция в физике, преждевременно. Но очевидно, что ее планомерному развитию приходит конец, и скоро мы окажемся перед массой принципиально новых проблем.
На пороге новой эры
В начале 1990-х гг. Алферов и его коллеги вплотную занялись получением и исследованием свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек. В 1993–1994 гг. впервые в мире были созданы гетеролазеры на основе структур с квантовыми точками — «искусственными атомами». А год спустя был продемонстрирован инжекционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. Важным шагом стало расширение спектрального диапазона лазеров с использованием квантовых точек на подложках GaAs. Так родилась «зонная инженерия» — принципиально новый тип электроники, основанный на гетероструктурах с очень широким диапазоном применения. В частности, были разработаны технологии нового поколения квантоворазмерных лазеров на короткопериодных сверхрешетках с рекордно низкой величиной пороговой плотности тока; созданы концепции получения полупроводниковых наноструктур с размерным квантованием в двух и трех измерениях; осуществлена демонстрация уникальных физических свойств структур на основе квантовых точек, созданы на их базе инжекционные лазеры.
По сути дела, на наших глазах рождается новое поколение техники. К современным информационным системам предъявляются два основных требования: они должны быстро передавать большой объем информации и при этом легко умещаться в офисе, дома, в портфеле или кармане.
Эпилог
В своей книге «Физика и жизнь» (она вышла в издательстве «Наука» в 2000 г.) Ж.И. Алферов писал: «Все, что создано человечеством, создано благодаря науке. И если уж суждено нашей стране быть великой державой, то она ею будет не благодаря ядерному оружию или западным инвестициям, не благодаря вере в Бога или Президента, а благодаря труду ее народа, вере в знание, в науку, благодаря сохранению и развитию научного потенциала и образования».
Журнал "В мире науки" №6 2007г.
Текст: Ольга Закутняя и Дарья Костикова
