• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

«Я хочу, чтобы петербургские физики вновь продемонстрировали открытия, опережающие передовую мировой науки»

В 2020 году в Питерской Вышке откроется первая естественнонаучная лаборатория — Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники. Заведующий департаментом физики и научный руководитель лаборатории Алексей Евгеньевич Жуков рассказал о направлениях исследований, планах на будущее и возможностях для магистрантов.

«Я хочу, чтобы петербургские физики вновь продемонстрировали открытия, опережающие передовую мировой науки»

Биография Алексея Евгеньевича Жукова

— Алексей Евгеньевич, чем вы будете заниматься в новой лаборатории?

В новой лаборатории мы планируем изучать физику полупроводниковых наноструктур.

На полупроводниках основана вся электроника, транзисторы, лазеры, передача и обработка информации, в силу того, что их свойствами можно управлять. Металлы всегда проводят электричество, диэлектрики — например, стекло или пластмассы — всегда не проводят, а полупроводниковые материалы можно легировать или приложить к ним поле — и они очень сильно изменят свойства. Это позволяет создавать разные функциональные приборы.

Современные полупроводниковые приборы очень сложны, и для того чтобы максимально использовать их возможности, свойствами материала управляют на уровне атомных слоев. Когда материал ограничен в маленькой области, в нем проявляются квантово-размерные эффекты. Можно сказать, что электронам становится тесно, они начинают вести себя иначе, у них изменяются свойства. Структуры, в которых из-за малых размеров проявляются квантовые эффекты, и называются наноструктурами. Целенаправленно меняя свойства наноструктур, мы можем получать необычные характеристики и создавать новые приборы.

— Расскажите, пожалуйста, о направлениях исследований лаборатории.

Сейчас у нас два основных направления исследований. Первое — это микролазеры.

Полупроводниковые лазеры очень активно используются в индустрии: в лазерных принтерах и медицинских приборах, в системах специального назначения, в проекторах и т. д. Одна из основных областей применения — это системы связи.

Благодаря быстрым полупроводниковым лазерам мы можем передавать информацию по оптическому волокну на большие расстояния с высокой скоростью. Именно так, например, устроено интернет-соединение между Европой и Америкой: по дну Атлантического океана проложены оптоволоконные кабели, пропускающие десятки и сотни терабит информации в секунду. Теперь хотелось бы научиться использовать свет для передачи информации не только между континентами, но и на совсем короткие расстояния, скажем, между элементами электронной платы.

Проблема в том, что нельзя огромный лазер поместить в маленькую микросхему: это несоизмеримо. Поэтому тенденция последних нескольких лет — предельная миниатюризация светоизлучающих приборов. Но здесь встает ряд фундаментальных и технических проблем. Часть из них решены, а над другой частью еще надо потрудиться.

Преимущества оптической связи

Использовать оптическое излучение гораздо более выгодно, чем передавать информацию по проводам. Аргументов можно привести много, самый простой – когда электрический ток течет по проводу, провод всегда греется и выделяет тепло. Электроны используются для передачи информации, например, в компьютерах. Поэтому современные компьютеры всегда горячие и в них всегда работает вентилятор. Чем сильнее компьютер загружен, чем больше информации обрабатывается, тем больше тепла нужно отводить. Если заменить электроны на фотоны, то часть проблемы будет решена. Кроме того, фотоны можно гораздо быстрее модулировать, то есть менять их поток. Когда вы передаете последовательность из нулей и единиц, фотоны можно быстрее включать и выключать и таким образом быстрее обрабатывать информацию.

Вторая задача, над которой мы работаем, — совместить кремний и светоизлучающий прибор.

В микроэлектронике кремний — это материал номер один. Вся микроэлектронная промышленность основана на кремнии, потому что твердотельная память, процессоры и все, что связано с управлением: транзисторы, электронное управление — это кремний. Кремний — очень технологичный материал. Он может быть очень чистым, его легко обрабатывать, но в силу своих внутренних фундаментальных свойств он не светит. По крайней мере, сейчас мы так считаем. Если бы светил, тогда на его основе можно было бы делать не только транзисторы, но и лазеры. Но поскольку это невозможно, с кремнием нужно сочетать светоизлучающие, так называемые прямозонные материалы. Это довольно амбициозная задача, и выяснилось, что микролазеры и здесь оказываются полезны.

Одно из направлений, на котором мы конкурентоспособны на мировом уровне, – это микролазеры в целом и микролазеры, в частности, на кремнии.

О квантовых точках

Мы занимаемся исследованием структур с квантовыми точками. Квантовые точки — это такое состояние полупроводника, когда во всех трех направлениях ограничено движение электронов. Грубо говоря, это очень маленький кусочек полупроводника. Лазеры на квантовых точках были впервые созданы уже больше двадцати лет назад в Физико-техническом институте в Санкт-Петербурге. Директором института и руководителем лаборатории, где я трудился, был Жорес Иванович Алфёров. Тогда он еще не был нобелевским лауреатом, но уже был очень известной личностью. Мне повезло попасть в довольно целеустремленный, интересный и хороший коллектив, и мы тогда совершили большой прорыв: создали первый в мире лазер на квантовых точках. Не могу сказать, что я там был на первых ролях, но один из.

Хотя с точки зрения фундаментальной физики это замечательное открытие, практического применения квантовые точки долгое время не находили. Но оказалось, что их можно успешно использовать в качестве рабочего материала в маленьких приборах. Попробую объяснить: если прибор совсем небольшой, то состояние боковой поверхности его рабочего материала становится очень важным. Если край поврежден, это может испортить свойства прибора. Условно говоря, когда мы сидим в большом помещении и где-то открыта форточка — нам от этого не будет холодно, а когда комнатка маленькая… То же самое и в очень маленьких приборах. Квантовые точки внутри не позволяют электронам выскочить из активной области и добраться до поврежденного края, тем самым испортив характеристики прибора. Это очень важно.

— С кем вы сотрудничаете? Какие еще университеты и исследовательские центры работают в этих направлениях?

Нам очень важен эксперимент, поэтому мы тесно сотрудничаем с разными лабораториями, которые занимаются изготовлением полупроводников: частично по нашему заказу, частично на основании взаимного интереса. Сейчас выращиванием полупроводниковых кристаллов занимаются и в Москве, и в Нижнем Новгороде, и в Новосибирске, но Петербург — это, наверное, одно из главных мест в России, где эта область развита наиболее хорошо. В Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе и в Академическом университете этим занимаются на исследовательской основе, внутри ПАО «Светлана» есть некоторые предприятия, которые выращивают полупроводники и производят необходимое оборудование. Есть и другие компании, в Петербурге целая группа научно-исследовательских и приборных центров работают в смежном направлении, например ООО «Коннектор Оптикс». Многие друг друга хорошо знают, и от этого получается усиливающий эффект.

Что касается микролазеров, то в России это скорее наша ниша, и других исследователей, которые занимаются этим же направлением, я, наверное, не назову. Если смотреть по всему миру, то схожими тематиками занимаются группы в Техническом университете Берлина, Университетском колледже Лондона, Токийском университете, Калифорнийском университете в Санта-Барбаре в США. С ними мы сотрудничаем. Было и есть несколько проектов РФФИ и РНФ, задачей которых было привлечение иностранных ученых. С кем-то мы сотрудничаем на основе взаимного научного интереса, обмениваемся идеями, пишем совместно статьи. Вообще, мы стараемся ни с кем не ссориться и со всеми дружить.

Впрочем, конкуренция тоже есть. Физико-технический институт в Петербурге, Университет ИТМО — это, с одной стороны, наши друзья, но по каким-то направлениям — научные конкуренты.

— С кем еще вы сотрудничаете за рубежом? Насколько взаимодействие было развито раньше, собираетесь ли вы поддерживать эти отношения?

Сейчас мы активно подключаем к работе с лабораторией и хотим привлечь для образовательных целей двух человек. Во-первых, Николая Николаевича Леденцова. Он постоянный сотрудник компании VI Systems в Германии, в Берлине. Компания занимается разработкой быстрых лазеров. Второй человек — это Елизавета Семенова-Хук, она профессор в Датском техническом университете в Люнгбю, под Копенгагеном.

Еще мы очень тесно взаимодействием с несколькими университетами в Финляндии, Германии и США, с центрами в Китае — например, с Международным академическим парком Циндао. С ними мы планируем делать совместный проект, и несколько раз я туда уже ездил.

В России сейчас сложился коллектив ученых из Петербурга, Нижнего Новгорода и Москвы и идет довольно интересное взаимодействие по квантово-каскадным лазерам — надеемся, что оно продолжится. Год или полтора года назад мы продемонстрировали первый в России терагерцовый квантово-каскадный лазер. Но пока это на уровне научных разработок: чтобы пустить это в практику, надо еще потрудиться.

— Расскажите про свою команду. Какие сейчас стоят задачи перед сотрудниками?

Пока команда у нас небольшая, состоит из семи человек. Еще какое-то количество сотрудников будут работать по совместительству. Есть планы расшириться максимум до пятнадцати человек в стационаре: это обусловлено и финансами, и площадями, и задачами.

Заведующая лабораторией – Наталья Владимировна Крыжановская. Она тоже начинала свою деятельность в Физико-техническом институте в оптической лаборатории под руководством Николая Николаевича Леденцова. Позже работала в лаборатории нанофотоники в Академическом университете. Я был у нее научным руководителем докторской диссертации, Наталья — отличный физик-экспериментатор.

Наша задача сейчас — не забрасывая наших текущих научных исследований, создать в Вышке функционирующую лабораторию.

В этом году мы закупим оборудование, какую-то часть инсталлируем и запустим сразу, что-то поставим в следующем году.

Это не быстрый процесс, потому что оборудование нельзя просто купить в магазине: пришел и забрал. Что-то уже готово, что-то надо заказывать. У нас есть ядро сотрудников, которые будут заниматься закупкой, инсталляцией, вводом в эксплуатацию и одновременно продолжать исследования.

— Можете еще пару слов сказать про оборудование, которое вы планируете устанавливать?

Мы с коллегами сформулировали это так: в лаборатории будет уникальный научный комплекс для исследования материалов квантовой оптоэлектроники и приборов на их основе. Мы не покупаем какую-то готовую установку, но планируем создать уникальный комплекс из разных блоков. Естественно, мы не хотим дублировать ничего существующего, потому что у лаборатории должно быть свое лицо.

— Будете ли вы продолжать сотрудничество с Физико-техническим институтом?

Обязательно! Часть моих коллег остаются частично трудоустроены в Академическом университете или в Физико-техническом институте. И оборудование, которое там стоит, должно продолжать работать. Поэтому и стояла цель не дублировать друг друга, а дополнять. Где-то будем заниматься ростом полупроводников, где-то исследованиями, измерять приборы и так далее. И личные контакты, и научные будут продолжаться на новом уровне: например, теперь мы налаживаем взаимодействие с Физико-техническим институтом по созданию базовой кафедры на нашем факультете.

— Будут ли научные сотрудники лаборатории участвовать в учебном процессе?

Да, мы будем вовлекать их в учебный процесс. Это полезно и для студентов, и для научных сотрудников.

Ребята будут получать актуальные знания из первых уст, а исследователи смогут привлекать талантливых студентов к работе в лаборатории — с сентября мы начнем поиск.

Я сам буду преподавать. Я традиционно читаю два курса: полупроводниковые лазеры и физика и технологии полупроводниковых структур. Первый курс для магистрантов, а второй ориентирован на студентов бакалавриата.

— Сколько студентов вы планируете привлечь для работы в лаборатории?

Сейчас я не могу точно сказать, сколько магистрантов мы сможем взять. Как минимум, трех-четырех человек. В последующие годы — до восьми.

С одной стороны, понятно, что на студента нельзя рассчитывать как на постоянную научную силу. Сегодня он есть, а завтра он экзамен сдает или что-то еще. С другой стороны, сначала он студент, потом аспирант, а затем и научный сотрудник. Время летит очень быстро.

Хочется привлекать талантливых студентов, а способы привлечения могут быть самыми разными. И знания, и какое-то участие в грантах, и ранние публикации, что тоже довольно важно.

— Нет ли противоречия в том, что магистерская программа будет по теоретической физике, а в лаборатории все-таки больше экспериментальной работы?

Учебное направление факультета гораздо шире, чем деятельность лаборатории. На факультете создадут базовые кафедры и Петербургский институт ядерной физики, и Физико-технический институт им. Иоффе, и Санкт-Петербургское отделение Математического института им. В. А. Стеклова РАН (ПОМИ РАН). Но мы надеемся, что какая-то часть магистров будет ориентирована и на работу в нашей лаборатории.

Вообще, квантовые полупроводниковые структуры — одно из определяющих направлений в современной физике. Та сфера, где мы трудимся, называется физика твердого тела, потому что мы имеем дело с кристаллами, с конденсированным состоянием вещества. Мы стараемся заниматься приборно-ориентированной наукой. То есть мы видим себя именно в создании новых приборов, новых явлений, ориентированных на практику. При этом мы не чистые теоретики, естественно, но и не инженеры.

Понятно, что если студент хочет изучать астрофизику или физику плазмы, то это не имеет отношения к нашей лаборатории. Но опыт показывает, что научные интересы могут поменяться, особенно в таком юном возрасте. Когда только начинаешь свою научную карьеру, легко можно перейти из одного направления в другое.

— Вас не смущает, что Питерская Вышка не ассоциируется с физикой? Не страшно начинать с чистого листа?

Это такое дело, что сегодня не ассоциируется, а завтра будет.

У меня в жизни уже была ситуация, когда я переходил из одного учреждения в другое и начинал почти с нуля. Это, конечно, страшновато, но не сильно. Коллеги помогут: и те, с которыми мы переходим, и те, которые уже работают в Питерской Вышке.

Я думаю, что оценить результат работы лаборатории можно будет не раньше чем через два года. Есть хорошие основания для того, чтобы лаборатория заработала: есть помещение, деньги на оборудование, ставки для сотрудников. Когда появятся студенты — это тоже будет сильное подкрепление. Очень важно также и грантовое финансирование привлечь.

Задача вполне выполнимая, но нужно время, чтобы это место начало ассоциироваться с физикой.

Я хочу, чтобы петербургские ученые, работающие в области физики и технологии полупроводников, в области физики конденсированного состояния вновь продемонстрировали свои открытия, новые разработки, не просто находящиеся на передовом мировом научном уровне, а и превосходящие его. Так это было, когда Алфёровым был создан первый полупроводниковый гетеролазер, работающий в непрерывном режиме, когда Сурисом и Казариновым был изобретен квантово-каскадный лазер, когда был продемонстрирован первый инжекционный лазер на квантовых точках. Задача амбициозная. Надеюсь, в ее решении будет заметен и вклад нашей лаборатории в Питерской Вышке.