Как физики обнаружили графен и почему его свойства привлекли так много внимания? Рассказывает Михаил Глазов

Исследования вокруг графена кипят с тех самых пор, как двум физикам присудили за него Нобелевскую премию. Оказалось, это очень прочный материал, и через него можно изучать вообще другую область физики, еще и очень затратную. Почему графен стал золотой жилой для теоретической физики и как его применяют на практике — объясняет Михаил Михайлович Глазов, профессор Базовой кафедры ФТИ имени А.Ф. Иоффе в Питерской Вышке.

Фото из личного архива Михаила Михайловича Глазова

— Что такое графен? И как ученые узнали о том, что он существует?

— Графен — это одноатомный слой графита. То, что кристаллическая структура графита состоит из слоев, можно догадаться даже на бытовом уровне. Если взять карандаш — а его грифель как раз из графита — и порисовать им, то будет видно, что он хорошо отшелушивается. Но понять природу этих слоев — намного более сложная задача.

Сначала ученые захотели узнать, как в графите ведут себя электроны. Оказалось, на плоскости углерода электроны легко переходят от одного атома к соседнему: то есть химические связи там сильные. А вот между слоями эти связи — слабые. И когда стало понятно, как в слоях графита расположены атомы, ученые задумались — как же им получить слой в один или несколько атомов. Работы в этом направлении начались давно, еще в прошлом веке, но результаты были не очень яркими. Не было прямых доказательств, что получается отдельный слой со своими физическими свойствами.

Прорыв в исследованиях совершили физики Андрей Гейм и Константин Новоселов. Они применили «технику клейкой ленты», которая позволяет отделять отдельные слои. Вот как это работает: вы накладываете скотч на поверхность кристалла графита,  а потом отрываете его. С кристалла к скотчу приклеиваются несколько атомных слоев. Дальше можно перенести их на второй кусочек скотча, и получится слой потоньше. Так надо делать до тех пор, пока не останется одноатомный слой. Это и есть графен.

Гейм и Новоселов не только получили графен, но и подтвердили теоретические предсказания о нем и увидели в графене яркие физические эффекты. Один из них — полевой: если приложить энергетическое поле, то количество электронов в слое либо увеличится, либо уменьшится. Если их станет больше, то значит, электроны будут лучше проводить электрический ток. А это в целом полезное свойство, можно дальше создавать всякие полезные устройства. 

— А где графен применяют? И какие еще свойства у него есть?

— Если использовать полевой эффект, то можно сделать транзисторы для смартфонов и системных блоков компьютеров. 

Еще графен — это полупроводник. Если слой будет гибким, то его можно применять в биомедицине. Наклеить пациенту на руку и по изменению свойств слоя смотреть, все ли у человека в порядке, например, с потоком крови. Но гибкость графена полезна и в других областях: к примеру, можно делать на его основе гнущиеся дисплеи.

Помимо этого, графен — очень прочный материал: сила, которая удерживает атомы в плоскости, очень большая. Графен можно смешивать с другими материалами, чтобы получилось нечто более прочное. Я знаю об исследованиях, в которых графеноподобные формы углерода иногда добавляют в резину для автомобильных шин или в асфальт. Как раз для того, чтобы увеличить прочность. Но насколько хорошо все это работает и можно ли обойтись без графена — точно не знаю.

Но несмотря на все интересные свойства графена, его по-прежнему тяжело создавать в промышленных масштабах. Методика на основе скотча очень медленная и дорогая. Поэтому на основе графена появляются только прототипы каких-то устройств. 

— Чем графен оказался полезен для теоретической физики?

— Выяснилось, что он может связать между собой физику конденсированных сред и физику высоких энергий. Дело в том, что в графене дисперсия электронов, то есть связь между энергией и импульсом частицы — не такая, как во многих других материалах. Она очень похожа на зависимость для электронов, которые двигались бы в вакууме или ускорителях с очень большими скоростями, близкими к скорости света. Это значит, можно изучать похожие эффекты не в ускорителях, а на лабораторном столе, что значительно проще и дешевле. 

Но дело не только в том, что ученым теперь проще делать исследования сложных эффектов. Речь еще и о творчестве: можно изучать явления на стыке двух областей физики сразу. Если вы планируете рассмотреть какое-то явление из физики конденсированных сред, и у вас под боком есть специалист в физике высоких энергий, то у вас может получиться нечто интересное и новое. И в обратную сторону это тоже работает. 

Такое содружество физиков приносит свои плоды. Например, в физику конденсированных сред из фундаментальной математики пришло понятие «топология», до этого идеи топологии использовали как раз в физике высоких энергий. Грубо говоря, идея топологии состоит в том, что важные свойства объектов остаются прежними, даже если попытаться его деформировать. Объясню на примере: вот, вы взяли апельсин и решили смять его так, чтобы не порвать. В теории вы можете сделать нечто похожее на крошечный стаканчик, но кружку с ручкой вы не получите — иначе вам придется порвать кожурку. И когда эту самую топологию применили к физике конденсированных сред, то выяснилось, что есть топологические изоляторы — диэлектрики, которые проводят ток на поверхности. Теперь можно изучать их.

— Говорят, графен уже в каком-то смысле стал мемом у ученых: с ним якобы уже делают исследования вообще на любую тему. Так ли это?

— В любой шутке — только доля шутки. С новыми и модными областями физики так получается часто: многие хотят ими заниматься, привязать свои исследования к чему-то популярному, например, к графену.  Бывают лаборатории, где по каким-то причинам синтезируют достаточно много графена или графита, и там ученые смешивают его со всем подряд — мол, посмотрим, что получится. Но на самом деле такой подход не так уж плох. Главное — понимать, что вы делаете и зачем. Тогда можно рассчитывать на результат.  Если получите какой-то результат, то хорошо, а если нет — ничего страшного. 

Наука не должна развиваться по какому-то определенному графику, спущенному сверху. Пусть ученые сами выбирают, чем им заниматься. Пусть даже эта тема выглядит как номинация на Шнобелевскую премию, неважно. Главное, чтобы самим исследователям было интересно и чтобы соблюдались основные принципы научной работы. Конечно, научные открытия «стоят на плечах гигантов», но и в общую канву исследований и разнарядку проектов и грантов не вписываются.

— Как думаете, в какую сторону пойдут исследования графена?

— Мне кажется, физики не скоро потеряют интерес к двумерным материалам. Первые эксперименты и шум вокруг них позади, эта область становится более серьезной. Теперь у ученых есть возможность остановиться и подумать, какие из новых открытий они понимают, а какие — нет.

Внимания к графену тоже не стало меньше. Все-таки Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию за то, что его открыли. Исследователей это подстегивает. При этом появились и другие материалы, в чем-то похожие на графен, — например, гексагональный нитрид бора и черный фосфор. Их тоже можно сделать атомарно-тонкими, и в них есть новые эффекты. Можно накладывать разные такие материалы друг на друга и получать структуры с новыми свойствами. И на этом пути — большой простор для новых открытий! 

— А что вам интересно узнать про графен?

— Даже не знаю. Конечно, хочется увидеть, чем все эти исследования закончатся. Но это, наверное, и не так важно. 

Сам я пришел в исследования графена благодаря коллегам из ФТИ имени А.Ф. Иоффе и Регенсбургского университета в Германии. Они одни из первых решили попробовать необычные оптические эксперименты с графеном. Например, такие: если посветить на листик графена, то оказывается, что в нем возникает постоянный электрический ток. Мы с коллегами долго разгадывали, какие механизмы за этим стоят, как этим током управлять и какую роль играют края образца. Я вообще стараюсь дружить с экспериментаторами и вести совместные исследования, потому что эксперимент — это все-таки критерий истинности в физике. К тому же всегда интересно размышлять, откуда взялся какой-то эффект, где его корни. Этот процесс чем-то похож на расследование преступления в детективном романе.

Потом я переключился на другие двумерные материалы, а сейчас мне хочется изучать что-то на стыке: как такие новые необычные материалы взаимодействуют с более классическими, нет ли за ними новых направлений в физике конденсированных сред.

— И последнее — студенты Департамента физики могут узнать побольше про графен?

— Да, у нас есть курс «Физика низкоразмерных систем». Там студенты, в частности, получают базовые знания о и том, как устроен спектр электронов в графене, и каким образом его получить. Но в целом я считаю, что образование в университете в области физики должно быть фундаментальным, базовым и широким. Не стоит подстраивать программу под сиюминутную моду. Я знаю много исследователей графена, которые до этого занимались «классической» физикой конденсированных сред. Они добились весомых результатов, потому что у них было хорошее базовое образование. А вот если разбираться только в графене, понимать физику конденсированных сред будет намного сложнее.

27 ноября в корпусе Питерской Вышки на Кантемировской пройдет День физика. Все участники мероприятия смогут послушать лекцию про полупроводники и лазеры, а также посмотреть на опыты во время экскурсии по учебным лабораториям. Подробнее о мероприятии можно узнать по ссылке.