«Код ученого»: Алексей Жуков о первом лазере на квантовых точках, оптоэлектронике и удаче Алферова

Продолжается прием в бакалавриат и магистратуру Питерской Вышки по физике. Сегодня в рубрике «Код ученого» мы хотим представить вам главу департамента, к которому относятся эти программы. Знакомьтесь — Алексей Жуков, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук и руководитель департамента физики. Поговорили с ученым о том, почему важно переходить на оптическую передачу данных, где нужны квантово-каскадные лазеры и в чем гений Альберта Эйнштейна.

Фото НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

Исследование, которым вы гордитесь

Под конец учебы в университете я попал лабораторию к Жоресу Алферову, которая специализировалась на полупроводниках, а после выпуска продолжил там работать. Через два-три года после этого мы с коллегами создали первый в мире лазер на квантовых точках — маленьких полупроводниковых кристаллах. Эта разработка действительно стала достижением мирового уровня, хотя начинали мы на чистом энтузиазме.

Я по-прежнему изучаю лазеры на квантовых точках, сейчас мы занимаемся этим в Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники. Тема актуальная, в том числе для экологии. Примерно 2 % мирового энергопотребления сейчас приходится на датацентры, в которых обрабатывается информация. Это очень много. Нужно сокращать потребление электроэнергии и переходить на оптическую обработку данных. Передавать данные на большие расстояния по оптоволоконным кабелям мы уже умеем — так и работает интернет, а вот на совсем маленькие расстояния, чтобы процесс шел внутри микросхемы, пока не очень. Однако лазеры на квантовых точках, вероятно, способны решить эту задачу. 

Сейчас мы сосредоточились на микродисковых лазерах. Они просты в изготовлении, а значит, их легче внедрить в смартфоны и компьютеры повсеместно — и конечная цена для покупателя не сильно изменится. Кроме того, мы изучаем, как совмещать наши приборы с кремнием, — на этом материале основывается вся современная электроника.

Конечно, я верю, что лучшие наши исследования еще впереди. В науке часто бывает, что одно удачное решение может надолго закрыть какую-то тему или сделать ее менее актуальной. К счастью, с оптоэлектроникой и квантовыми точками это не так, статей по-прежнему выходит много, активные исследования продолжаются во многих мировых научных центрах

Открытие квантовых точек признано значимым во всем мире. В 2023 году трое физиков, один из которых долгое время работал в Петербурге, получили Нобелевскую премию по химии за исследования, связанные с квантовыми точками. Подробнее об этом мы рассказывали здесь.

Исследование, которое изменило ваши представления о науке

В науке многое зависит от случайности и удачи. Неплохую историю об этом я в свое время услышал от Жореса Алферова, лауреата Нобелевской премии по физике. Когда Алферов изучал полупроводниковые гетероструктуры для лазеров, ему нужны были материалы со схожей кристаллической решеткой. И такие нашлись — арсенид галлия и арсенид алюминия. Об этом, в принципе, было известно, но считалось, что арсенид алюминия изучать бесперспективно: этот материал разлагается в воздухе от паров воды. Но Алферову кто-то из коллег сказал: «А у меня вот лежит арсенид алюминия с добавлением галлия — и ничего с ним не произошло в течение долгого времени». Так Алферов понял, что это соединение будет стойким. Если бы не этот случай, возможно, и открытие случилось бы позже.

Вместе с другими коллегами Алексей Жуков присутствовал на вручении Нобелевской премии Жоресу Алферову. Подробнее о том, как это было, можно прочесть по ссылке.

Еще меня когда-то поразили квантово-каскадные лазеры. Идею о них еще в 70-х предложили два физика из лаборатории Алферова — Роберт Сурис и Рудольф Казаринов. Предположение сильно опередило технические возможности. Приборы появились 20 лет спустя, потому что для них нужно было синтезировать полупроводники с высокой точностью при весьма малой толщине слоев и очень большом числе повторяющихся периодов. 

Главное отличие квантово-каскадных лазеров в том, что они позволяют получать почти сколь угодно большую длину волны. Такие свойства можно использовать для спектроскопического анализа в медицине, в системах безопасности, чтобы получать изображения скрытых объектов и т. д. Применений у таких лазеров много, и станет еще больше, но пока нужно стабилизировать их изготовление.

Ученый, на которого хочется равняться

Многие великие ученые, как и другие творческие люди, обладали непростым характером. Мне не хотелось бы в этом на них равняться, оставлю жизненные принципы за скобками. Что касается науки, то равняться стоит на многих.

Меня многому научил Николай Леденцов, с которым мы много работали над лазерами. Он на редкость целеустремленный человек. От него я часто слышал: «Если что-то решил сделать, надо сделать быстро или не делать вообще». И речь не о том, чтобы сделать тяп-ляп, нет. Нельзя откладывать работу на потом, потому что конкуренты ждать не будут. Проснешься — а они уже опубликовались с похожей идеей. И ничего с этим не сделать, остается только локти кусать.

Мне нравятся ученые, которым удается придумать нечто универсальное, относящееся ко многим разделам науки. Вот, например, лорд Рэлей однажды зашел в лондонский собор Святого Павла, встал под куполом и обратил внимание, что люди, стоящие по разные концы круга, слышат друг друга практически идеально. Он назвал это эффектом шепчущей галереи и нашел ему объяснение. Казалось бы, давнее открытие — ему больше ста лет. А потом выяснилось, что оно актуально не только для акустических волн, но и для оптических. В круглом резонаторе волна отразится от стенок и будет бегать почти без потерь, что позволит сделать лазер очень маленьким.

Кто меня по-настоящему удивляет — так это Эйнштейн. Неизвестно, что он проводил какие-то опыты, но то, с какой легкостью дорабатывал какие-то выводы и придумывал теории, — это уму непостижимо. Именно Эйнштейн написал первые значимые работы о вынужденном излучении: чтобы объяснить формулу Планка, он предположил, что под воздействием фотона атом начинает излучать и это приводит к появлению двух одинаковых фотонов. На вынужденном излучении строится работа лазеров, так что если бы не Эйнштейн, мы бы их не обсуждали.

Главное для ученого

Не бояться рутины. За любым результатом стоит большая работа. Спортсмены ведь тоже большую часть времени проводят на тренировках, а актеры — за кулисами. Вот и в физике так же, только ученым нужно постоянно обдумывать свои идеи и фиксировать их на бумаге. 

Умение здраво оценивать свое время — тоже ценное качество. Мне кажется, каждому ученому нужно смириться с тем, что читать все новые статьи по своей теме у него не получится. Слишком много их выходит. В такой ситуации я бы рекомендовал обращать внимание на тематические обзоры и спецвыпуски журналов, посвященные какому-то одному вопросу.

Не менее важно представлять честные результаты. Нельзя подгонять научные факты под свои гипотезы. Если вы в чем-то не уверены или не знаете этому объяснения — так и напишите. Честность намного лучше необоснованной догадки. И помните: отрицательный результат — тоже результат, не нужно его стыдиться.

Источники вдохновения

Мои коллеги. Мне всегда с ними везло, где бы я ни работал. Если я чего-то не умею, всегда найдется тот, кто научит. Я всегда старался тянуться к людям, ведь общение с ними дает больше идей.

Конечно, есть люди, которые любят работать в одиночку, но у меня так не получается. Мне кажется, что ученые, исследователи — главная ценность любой лаборатории. Без людей любой прибор бесполезен. Если есть прибор, но нет людей — это ноль. А если нет прибора, но есть человек, то прибор уж как-нибудь появится. Люди важнее любых машин и механизмов.

Алексей Жуков руководит департаментом физики, где ведется набор в бакалавриат, а также в магистратуру. Подать документы можно через личный кабинет абитуриента.