Смысл научной деятельности — в поиске красоты. Интервью с академиком Игорем Кукушкиным

Отсутствие эффективной связи между наукой и бизнесом становится предметом обсуждения на всех государственных уровнях. Удачные примеры хоть и есть, но их немного. Но, как известно, порой проще самому сделать первый шаг навстречу горе, которая не идет к Магомету. Главный научный сотрудник Института физики твердого тела РАН академик Игорь Владимирович Кукушкин вместе с коллегами создал два наукоемких коммерческих предприятия на основе прорывных научных исследований, проводимых в лаборатории. Их продукцию используют в фармацевтике и медицине, для контроля качества различных материалов и в сфере безопасности. Как эффективно совмещать науку и бизнес? Чего ждать в области физики полупроводников? Какие направления развиваются в ИФТТ РАН — академическом институте с яркой историей, которому в 2023 г. исполняется 60 лет? Об этом и не только — интервью с Игорем Владимировичем Кукушкиным.

— Свою научную деятельность вы начинали с экситонов. Что это за частицы? И где применяются их свойства?

 — Экситоны — это квазичастицы, которые присутствуют во всех направлениях физики твердого тела. Когда я начинал их исследовать, будучи студентом четвертого курса Физтеха, в Черноголовке активно развивалось такое модное направление, как электронно-дырочная жидкость.

По сути, экситоны — это аналог атомов. Например, если посветить на полупроводник, то в валентной зоне рождаются дырки, в зоне проводимости — электроны. Возникают электронно-дырочные пары. Это и есть экситон, то есть аналог атома, способного конденсироваться в жидкость.

В свое время этот процесс предсказал Л.В. Келдыш. Тогда советские физики были впереди планеты всей, соревновались с американцами и, в общем-то, побеждали, несмотря на отсутствие достаточного количества экспериментальной техники.

Передо мной стояла несколько иная задача: «убить» электронно-дырочную жидкость. Сделать так, чтобы ее не было в системе. Почему это важно? При малых концентрациях экситоны ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При больших концентрациях их взаимодействие становится существенным, и можно было надеяться наблюдать образование связанного состояния двух экситонов, то есть экситонной молекулы или биэкситона. Но обнаружить их не удавалось, поскольку концентрация экситонов была маленькой.

С помощью одноосной деформации, направленной по экзотическому кристаллографическому направлению, нам удалось подавить устойчивость жидкости и повысить концентрацию экситонов таким образом, чтобы жидкости не было совсем. Так, еще будучи студентом четвертого курса, я нашел необычные условия деформации кристаллов германия (Ge), при которых электронно-дырочная жидкость становится неустойчивой. Именно в этих условиях впервые наблюдалось связанное состояние экситонных молекул германия, что позволило изучить их свойства.

В дальнейших исследованиях мы использовали магнитное поле, которое дестабилизирует молекулярные состояния. Поэтому спин-ориентированные экситоны отталкивались друг от друга. Нам удалось изучить эффект бозе-конденсации экситонов, при котором образуется когерентное состояние вещества. Чтобы понять, чем когерентное состояние отличается от некогерентного, можно представить оркестр в театре. Музыканты настраивают инструменты, звучит какая-то какофония. А затем приходит дирижер, поднимает палочку — и мы слышим музыку. В физике же этим дирижером становится критическая температура, которая приводит к появлению когерентного состояния. Когда я начинал, это направление считалось фундаментальным. И о применении тогда никто не думал. Это была чисто научная красота.

Мне кажется, что смысл научной деятельности и состоит в том, чтобы найти и поймать подобную красоту. Конечно, существуют и прикладные исследования, кажущиеся не вполне красивыми, но зато они в будущем превращаются в реальные приборы, которые нужны людям. Но это иная деятельность. Она не ортогональна, но все-таки иная.

В лаборатории, которой я руковожу, работают 70 сотрудников. Половину времени мы посвящаем фундаментальной науке, а другую половину — разработке новых принципов в приборостроении и созданию приборов, которые просто нужны людям.

— О них обязательно поговорим позднее. Другое интересное явление — квантовый эффект Холла. Как можно объяснить подобные явления обычному человеку?

— За открытие квантового эффекта Холла в 1985 г. Клаус фон Клитцинг получил Нобелевскую премию по физике. В 1987 г. он лично пригласил меня работать с ним. Мне посчастливилось жить в Штутгарте и работать под его руководством.

Квантовый эффект Холла, как его описал сам Клитцинг, — это транспортное явление. Эффект Холла впервые наблюдался в 1880 г. американским физиком Эдвином Холлом. Этот эффект считался несовершенным средством измерения концентрации электронов в полупроводниках.

Электрический ток пропускается через образец, помещенный в магнитное поле, которое приложено в перпендикулярном направлении. На образце, в свою очередь, возникает напряжение в направлении, перпендикулярном и току, и магнитному полю. А величина напряжения Холла обычно пропорциональна магнитному полю и обратно пропорциональна концентрации электронов. Однако, как правило, погрешность измерений составляла порядка 10%.

Как оказалось в дальнейшем, холловская компонента сопротивления квантуется, и не просто квантуется, а имеет точность семь-восемь знаков. Это стало неожиданностью.  Клитцинг получил за это Нобелевскую премию, а величина целочисленного квантового эффекта Холла стала использоваться в бюро стандартов для измерений.

Спустя несколько лет было обнаружено иное, неожиданное и непредсказанное явление из категории фантастики и красоты науки — дробный квантовый эффект Холла. В электронной системе существует такое понятие, как фактор заполнения. Это число, характеризующее степень заполнения уровней Ландау — энергетических уровней заряженной частицы в магнитном поле. Оказалось, что холловское сопротивление квантуется не только на целочисленных значениях факторах заполнения 1, 2, 3, 4…, но и на дробных факторах заполнения 1/3, 2/3, 1/5. Дробный квантовый эффект Холла наблюдается в магнитных полях, еще более сильных, чем поля, необходимые для обычного целочисленного квантового эффекта Холла. В 1998 г. Дэниел Цуи, Хорст Штермер и Роберт Лафлин получили Нобелевскую премию по физике за открытие и объяснение этого явления. Помню, как Клитцинг с иронией заметил, что за целочисленный квантовый эффект Холла премию дали ему одному, а за дробный — троим ученым.

— В одном из интервью вы отметили, что до 1970-х гг. физики исследовали элементы таблицы Менделеева, которые можно найти в природе, а после начались исследования объектов, которые человек может создать в лаборатории. С помощью каких приборов можно работать с такими объектами?

— Это абсолютно правильная идея. Когда мы начинали, то в основном работали с германием, кремнием — условно природными полупроводниками.

— Почему условно?

— Если мы возьмем кремний реально из природы, то он окажется очень грязным, то есть с большим количеством примесей. Кстати, раньше кремний вообще считался металлом, потому что обладал высокой проводимостью из-за свойств примесей в его составе. Когда же кремний стали очищать, то оказалось, что это очень хороший полупроводник, почти изолятор, особенно при низких температурах. После чего активное развитие получила кремниевая микроэлектроника, полевые транзисторы и многое другое. Кстати, квантовый эффект Холла был обнаружен на кремниевом полевом транзисторе.

Но наука не стояла на месте. И спустя пять лет дробный квантовый эффект Холла был открыт уже не на кремнии, а на гетероструктурах — квантовых ямах галлий-арсенид и алюминий-галлий-арсенид. Это был настоящий прорыв, когда в США появились системы молекулярно-пучковой эпитаксии.

Такие системы позволяют в вакууме послойно выращивать атомарные слои, состоящие из арсенида галлия и алюминия для создания квантовых ям.

Так вот, системы молекулярно-пучковой эпитаксии представляют собой как раз дело рук человеческих. В России, как известно, с ними работал нобелевский лауреат Жорес Иванович Алферов. Правда, сейчас Россия серьезно отстает по технологии. Научные коллективы в Санкт-Петербурге пока не могут выращивать структуры супервысокого класса просто потому, что вакуум в машине не очень высок, что дает множество остаточных примесей.

Однако системы МПЭ решили использовать для других целей, а именно для лазеров, работающих при комнатной температуре и не требующих охлаждения. Это направление, на мой взгляд, имело более важное прикладное значение.

Возвращаясь к вашему вопросу: современная физика действительно во многом строится на объектах рукотворных. Фантазия у ученых очень богатая. Они придумывают структуры с такими свойствами, которых, конечно, в природе не существует. И это поистине качественный прорыв. При этом обогащается не только наука. Почти все изобретения в этой сфере вскоре становятся достоянием всего человечества.

Однако сегодня мы подошли к моменту, когда необходимо создавать нечто принципиально новое. Сейчас мы ограничены размером литографий в 7 нм. Все компьютеры, которыми мы пользуемся последние 15 лет, по сути, обладают одинаковой тактовой частотой. А быстродействие определяется распараллеливанием и созданием процессоров с большим числом ядер.

— Тогда чего нам не хватает для следующего прорыва, если уменьшать размеры микросхем мы уже не можем?

— Хороший вопрос. Действительно, если говорить о компьютерах, то, на мой взгляд, кремниевая технология вышла на некий предел. Сейчас говорят об альтернативных материалах, позволяющих повысить концентрацию электронов. Скажем, при тех же размерах микросхем использовать не 10 электронов, а сразу 100. Отмечу, что в кремниевых транзисторах концентрация электронов определяется электрическим полем, которое держит диэлектрик. И полупроводники, и диэлектрики не умеют держать такие сильные электрические поля, поэтому здесь мы снова упираемся в ограничение той же концентрации.

Другой вопрос — а зачем нам продвигаться дальше? На мой взгляд, наше современное существование не требует запредельных параметров. И, думаю, мы могли бы ограничиться тем, что есть.

— Вам удалось не только исследовать фундаментальные явления, но и создать реальные приборы. Расскажите об изобретениях «Терасенс» и «Инспектор».

— Действительно, нам удалось создать то, чем мы до этого занимались только в лаборатории. «Терасенс» — это СВЧ-техника. Изначально мы изучали циклотронный резонанс, электронно-спиновый резонанс, магнитно-плазменный резонанс — то есть свойства электронных систем в двумерных квантовых ямах, которые требовалось охарактеризовать, измерить концентрацию, массу и пр. Исследуя особенности плазмонов в СВЧ-диапазоне, мы установили, что электромагнитная волна хорошо детектируется и преобразуется в плазмоны. Плазмоны похожи на экситоны, о которых я рассказывал в начале интервью. Описываемые свойства позволили преобразовать большие длины световых волн в маленькие по размеру длины плазменных волн. Так, мы создали спектрометр и детектор, которые измеряли динамику на СВЧ за 50 пикосекунд. Для чего это нужно?

Сети 5G, 6G, о которых сегодня все говорят, по планам будут основаны на быстрой передаче данных. Чтобы ее обеспечить, необходимо поднимать несущую частоту. Сейчас наши телефоны работают на частотах в пределах 2 ГГц. В исследованиях, которые проводили сотрудники лаборатории, достигались частоты в 100 раз больше.

Помимо этого, мы обнаружили, что на частотах порядка 100 ГГц большинство материалов прозрачны. А это уже полезное свойство для систем наблюдения, которые позволяют, например, проверить, есть ли под курткой у человека оружие.

Как оказалось, во всем мире имеются большие проблемы с генераторами и детекторами, работающими на таких частотах. При этом нам удалось разработать не просто детекторы, а матрицу детекторов, позволяющую создавать одно изображение за раз.

Наша компания развивается на протяжении 15 лет. И надо сказать, что это стало вызовом и для меня лично. Заниматься наукой — это одно, а бизнес, хоть я и не люблю это слово, — совсем другое. Необходимо закупать приборы, платить людям зарплату, подтягивать самых квалифицированных специалистов. На первом этапе нам помогли частные инвесторы, а спустя год мы запустили еще одно производство, связанное с неупругим рассеиванием света.

В то время наши статьи публиковались в Science и Nature, поскольку измерения проводились на мировом уровне. Возникла идея создать маленький прибор «Инспектор», позволяющий фиксировать спектр неупругого рассеивания. Почему это важно? Каждое вещество имеет «отпечаток пальца», который проявляется в спектре неупругого рассеяния света. Если под лазерный свет подставить, например, жидкость или взрывчатое вещество, то можно увидеть его спектр неупругого рассеяния света. Это говорит о том, что кроме лазерного сигнала есть еще фотоны, сдвинутые на определенные частоты. У каждого вещества свой набор частот и свое уникальное отношение интенсивности. Рассматривая базу данных, можно сказать, с каким веществом мы имеем дело.

Мы проверяли наш прибор, анализируя таблетки, бензин. Но индустриям это оказалось неинтересно. Тогда мы попытались зайти через другие сферы, в том числе таможенную, и там они оказались востребованными, поскольку смогли решить некоторые проблемы, связанные с безопасностью.

Хочу подчеркнуть, что научные исследования, с которых мы начинали, продолжаются. Многие из них поддерживаются грантами. Но мы также получаем средства от продаж. Пытаемся сочетать науку и прикладные решения в виде приборов. Думаю, что это правильный способ выживания в современных условиях. Я не могу сказать, что он типичный, я бы сказал, абсолютно атипичный, даже для Запада. Но мне кажется, одно другое поддерживает, ускоряет и стимулирует.

— Вы как никто, обладая опытом и в науке, и в предпринимательстве, видите, куда дует ветер. Какое направление стоит выбрать молодым ученым?

— Это сложный вопрос. Могу лишь сказать, что вне всяких сомнений физика полупроводников — это все еще бурно развивающаяся наука и сфера деятельности. Сегодня она смещается в область широкозонных полупроводников, которые раньше назывались диэлектриками. Современная техника, использующая большие токи, приводит к значительному разогреву микросхем и транзисторов, и материалы с недостаточно широкой запрещенной зоной (например, кремний) сильно нагреваются, что приводит к изменению их характеристик и отказу в работе.

Несомненно, продолжат развитие ядерная физика, физика элементарных частиц. Эти направления крайне интересны и важны. Однако в этих сферах, как мне кажется, меньше отдача в виде приборостроения и прикладных решений. Поэтому я агитирую за физику твердого тела, за физику полупроводников и за Институт физики твердого тела РАН, которому в этом году исполнилось 60 лет.

Мне кажется, что физика и математика представляют собой некую природную красоту. Как и химия, и биология. В любом случае науку не остановить, она все равно будет развиваться. Так что физикой заниматься точно можно будет еще много-много лет. И физикой твердого тела в том числе. Могу советовать Черноголовку, очень хорошее место. Я, кстати, там родился, поэтому всячески рекомендую.

— 2023 г. для института юбилейный. Каким институт стал? И насколько он востребован среди научного сообщества?

— Институт за 60 лет прошел непростой путь. Он развивался довольно быстро и планомерно примерно до 1990-х гг. В это непростое для страны время многие, разумеется, уехали. Институт тем не менее выжил. Постепенно развивались программы грантовой поддержки со стороны РНФ и РФФИ.

Сегодня институтом руководит молодой директор Александр Алексеевич Левченко, и могу сказать, что все традиции нашего вуза, которые записаны в уставе, исключительно хорошо и последовательно выполняются. Каждый научный сотрудник института — самостоятельная единица. Он может с легкостью переходить из лаборатории в лабораторию, заниматься любой деятельностью, которая его заинтересует.

Сегодня активно формируются молодежные лаборатории. Впервые такой формат я увидел в Штутгарте. Сотрудников собирали со всего мира на пять лет. Они работали много, но при этом были обеспечены необходимым финансированием и приборной базой. Спустя пять лет формировалась новая лаборатория, а сотрудники первой занимали позиции в ведущих университетах. Подобный способ выращивания «новых грибов» — очень правильный. Конечно, и в нашем институте есть проблема старения коллектива. Средний возраст научных сотрудников приближается к 70 годам.

Поэтому хочется пожелать институту успехов, развития, легкого «омоложения» и передачи эстафеты молодым ученым.

Хотелось бы, чтобы помимо научного инструментария появлялось все больше технологических инструментов и специалистов, которые бы поддерживали их на высоком уровне. Сегодня приборы стоят очень дорого, а специалистов, способных с ними работать, мало. Но в науке, особенно в физике твердого тела, нужны технологии. Я уверен, что за ними будущее.