Квантовые точки над «i»: как это открытие изменило мир науки

В 2023 году Нобелевскую премию по химии получили трое ученых, чьи исследования были связаны с квантовыми точками. Для Питерской Вышки это приятное событие: работы физиков многим обязаны этому открытию. А Международная лаборатория квантовой оптоэлектроники и вовсе не выпускает эту тему из своего фокуса. Поговорили с руководителем департамента физики Алексеем Жуковым и профессором базовой кафедры ФТИ имени А. Ф. Иоффе Михаилом Глазовым.

Фото НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

Что такое квантовые точки и где они полезны

Квантовые точки — это очень маленькие полупроводниковые кристаллы. Часто их называют нанокристаллами из-за размера порядка десяти нанометров — и даже меньше. Из-за того что эти кристаллы такие маленькие, в них возникает квантование, то есть энергия электронов внутри квантовых точек может меняться квантами — порциями. И квант такой энергии добавляется к энергии, зависящей от химической природы материала точки. Поэтому, когда квантовые точки светятся, они светятся разными цветами в зависимости от размера. Еще одна особенность квантовых точек состоит в том, что движение электронов внутри них ограничено в трех направлениях — со всех сторон, и им оттуда сложно выскочить.

Квантовые точки могут быть полезны, например, в оптоэлектронике. Если получить эти кристаллы в жидкости и затем поместить такую каплю на поверхность, то можно создать дисплеи с более четкой цветопередачей. Пригодятся квантовые точки и в медицине. Можно присоединить к квантовой точке какой-то препарат и посветить на нее, чтобы активировать: лекарство отделится и начнет действовать локально. И конечно, квантовые точки можно применять в таких оптических приборах, как лазеры.

За что петербургскому физику дали Нобелевскую премию по химии

В октябре 2023 года Нобелевский комитет присудил премию по химии трем ученым. В числе трех лауреатов оказался Алексей Екимов, доктор физико-математических наук. Ученый долгое время работал в Петербурге — в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова и Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе. Вместе с Алексеем Онущенко в начале 1980-х Алексею Екимову удалось синтезировать квантовые точки в стекле и обнаружить в них новый эффект — эффект квантования. Они обжигали стекло, которое используется в светофильтрах,  при высоких температурах и обнаружили необычный эффект в оптических свойствах этих стекол, а именно — поглощение света. Эксперимент получил теоретическое обоснование чуть позже — в статье Александра и Алексея Эфросов из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. 

Алексей Жуков работал вместе с Алексеем Екимовым в одной лаборатории в ФТИ, однако они не успели познакомиться. А вот Михаилу Глазову удалось поработать вместе  с Александром Эфросом и опубликовать с ним статью.

Михаил Глазов, профессор базовой кафедры ФТИ имени А. Ф. Иоффе

С Александром Эфросом я впервые встретился в середине нулевых годов, когда он приезжал в Петербург на конференцию и заходил в ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Нас познакомил мой научный руководитель Евгений Львович Ивченко, а потом — чуть позже — нам удалось всем вместе поработать над одной задачей, связанной с квантовыми точками и спиновой физикой. Эта задача опиралась на исходную статью Эфросов, но требовала других теоретических методов. 

Вместе с Ириной Юговой из СПбГУ, Сашей и Евгением Львовичем мы разработали теорию управления электронными спинами в квантовых точках под действием коротких импульсов света, предсказали, как можно менять и считывать направление спина электрона в квантовой точке или их ансамбле. Это заложило базу для понимания многих экспериментов, которые проводились в разных лабораториях по всему миру.

Что последовало за работами Екимова и Эфросов

Двое японских ученых — Yasuhiko Arakawa и Hiroyuki Sakaki — предположили, что лазеры на квантовых точках будут лучше по характеристикам. «Но как именно его создать — они в деталях не объясняли. Был способ, который касался использования магнитных полей, но он был малоприменим к реальным приборам», — объясняет Алексей Жуков, руководитель департамента физики. Именно команда в ФТИ, к которой принадлежал Жуков, в начале 1990-х создала первый в мире лазер на квантовых точках.

Алексей Жуков, научный руководитель Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники

Наш старший коллега Николай Леденцов, ныне — член-корреспондент РАН, показал нам статью от американских коллег. Там говорилось о том, как получить квантовые точки полупроводника внутри полупроводника. Мы фактически повторили их эксперимент, а потом решили не тратить время попусту и поместили все это внутрь полупроводникового лазера. Возможно, другие исследователи просто не решались на это, а нам было нечего терять. Так и получился первый в мире лазер на квантовых точках!

После открытия Екимова довольно сильное развитие получили исследования спинов в полупроводниковых структурах — квантовых точках, нанокристаллах и прочих. «В 1970-х эта тема была немного маргинальной. Ею занимались всего несколько лабораторий в СССР и во Франции. А в последние десятилетия исследования спинов переживают бум в связи с интересом к квантовым технологиям и спинтронике. Конечно, всего бы этого не было без работ Екимова, Онущенко, Эфросов, Брюса и Бавенди. Они, вне всяких сомнений, создали новую область физики и химии», — рассказывает Михаил Глазов.

На магистерской программе «Физика» можно изучать «Спинтронику» и «Физику низкоразмерных систем». Подробнее о программе — на сайте.

Где еще изучают квантовые точки и вокруг чего строятся исследования

Интерес к квантовым точкам остается довольно высоким. В России их активно изучают в ФТИ имени А. Ф. Иоффе и Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники в Питерской Вышке. «Не так давно наш коллектив объединил усилия с Южным федеральным университетом и создал зеркальную лабораторию», — делится Алексей Жуков. Сам он находится в командировке в Китае, где обсуждает возможности применения квантовых точек в лазерах, способных излучать свет с очень узкой спектральной шириной линии излучения. 

Практически все исследования Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники так или иначе связаны с квантовыми точками. Одно из приоритетных направлений — объединение их с кремнием. «Что касается кремния, то его широко применяют в электронике благодаря возможности формирования транзисторных структур на основе кремния и тонких слоев изолятора. Однако этот материал не излучает свет. А квантовые точки, напротив, в этом очень эффективны. Наша задача — найти способы интеграции квантовых точек с кремнием, чтобы можно было в полной мере использовать преимущества оптической передачи информации и в транзисторных микросхемах», — объясняет Алексей Жуков.

Также команда лаборатории изучает микролазеры на квантовых точках —  они меньше обычных примерно в тысячу раз. «Одно из самых перспективных направлений для таких приборов — передача информации на короткие расстояния. То есть не между континентами и зданиями, а внутри компьютера, телефона или электронного устройства, где будет полезна оптическая связь. То есть такие приборы будут быстрее работать, меньше греться и потреблять меньше энергии», — комментирует Алексей Жуков. 

Сейчас в лаборатории изучают, что поможет сделать оптическую передачу информации более эффективной. Исследования касаются приборных характеристик: чтобы лазеры были стабильны при повышенных температурах, обладали бы низким уровнем шумов и чтобы они работали быстро, то есть не просто светили, а способны были передавать информацию с высокой скоростью и в условиях повышенных температур. Исследователи уже продемонстрировали такие микролазеры, которые способны работать не только при низких температурах или комнатной температуре, но и вплоть до ста градусов Цельсия.

Алексей Жуков, научный руководитель Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники

Совсем недавно мы обнаружили интересное явление в микролазерах с квантовыми точками, которое заключается в возможности одновременного излучения двух длин волн или быстрого переключения между этими длинами волн. Ранее такое явление наблюдалось только в лазерах большой площади. То, что его можно реализовать и в микролазерах, где рабочие токи весьма малы, открывает перспективы практического использования этого эффекта — например, для кодирования информации. 

Следует подчеркнуть, что наши исследования университет активно поддерживает как через проекты программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ, так и через целевые средства, выделяемые для приобретения оборудования. На эти средства в лаборатории была создана уникальная научная установка «Комплексный оптоэлектронный стенд».