Не только технические достижения, но и философская революция Физик Григорий Соколовский — о работе Жореса Алферова
В Санкт-Петербурге в возрасте 88 лет умер физик, лауреат Нобелевской премии, академик Жорес Алферов. Ученый — один из четырех россиян, получивших Нобелевскую премию с 1991 года. Лауреатом он стал в 2000 году за разработки в области полупроводниковой техники. По просьбе «Медузы» главный научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Григорий Соколовский объясняет, в чем состояло значение открытий Жореса Алферова и какое влияние они оказали на современный мир.
Нобелевская премия была присуждена Жоресу Алферову за его работы по созданию полупроводниковых гетероструктур. На их основе были созданы, в частности, полупроводниковые лазеры — они применяются в огромном количестве технических решений, которые обеспечивают существование нашего мира в том виде, в котором мы к нему привыкли.
Интернет, без которого уже нашу жизнь представить, наверное, невозможно, основан на том, что сигнал передается при помощи полупроводниковых лазеров по оптическому волокну. Если мы с вами говорим по мобильному телефону, то будьте уверены, что на самом деле наш разговор передается по оптическому волокну. Он только первый километр летит по воздуху, потом достигает соты, а оттуда уже по оптическому волокну распространяется дальше.
Помимо интернета лазеры применяются во всех известных оптических приводах, CD и DVD-дисках, которые сейчас уже отошли назад, вытеснены флешками, но оказали огромное влияние на развитие всей цифровой техники. Кроме того, полупроводниковые лазеры работают в лазерных принтерах, без которых нашу жизнь в смысле чтения книг и любой литературы было бы трудно представить.
Помимо лазеров гетероструктуры применяются еще в высокочастотных транзисторах. Они тоже обеспечивают наш с вами разговор по мобильному телефону. Именно мощные высокочастотные транзисторы были бы немыслимы без полупроводниковых гетероструктур. Нельзя забыть и про светодиоды, изменившие современное представление об освещении — их тоже нельзя представить без гетероструктур.
Что такое гетероструктуры?
Гетероструктуры — это идеальный кристалл без каких-либо нарушений структуры, состоящий из частей с разной шириной запрещенной зоны.
Чем проводники отличаются от изоляторов, металлы от диэлектриков? В металле нет энергетического барьера для электронов, которые обеспечивают связь атомов в кристалле. Эти электроны могут перескакивать с одного атома на другой и таким образом обеспечивать перенос заряда — то есть электрический ток. А в диэлектриках для электронов есть энергетический барьер (называемый запрещенной зоной), который нужно преодолеть. То есть они должны получить какую-то энергию, чтобы начать перескакивать с одного атома на другой.
Это как если бы мы с вами решили бегать по столу. Для того, чтобы начать бегать по столу, нам с вами нужно запрыгнуть на стол. Высота стола для нас — это тоже самое, что ширина запрещенной зоны для электрона. На полу — это наше обычное с вами положение, мы тут с вами живем. На столе — это для нас необычное положение.
Если бы мы с вами были электронами в металле, то высота стола была бы равна нулю, столешница бы просто лежала на полу — встал и пошел. Если мы с вами в диэлектрике, то столешница — довольно высоко, и нам с вами очень тяжело на нее запрыгнуть. В полупроводниках ситуация средняя — столешница довольно высоко, но все-таки она достижима. Поэтому в каких-то условиях он является проводником, а в каких-то изолятором.
В кристалле, где у разных частей — разная ширина запрещенной зоны (то есть в нем как бы составлена некая фигура из столов разной высоты), все электроны свалятся туда, где эта ширина меньше. Это и легло в основу работы полупроводниковых лазеров, которые разработали Жорес Алферов и его команда в Физико-техническом институте имени Иоффе.
На словах все это очень легко — вся проблема была в том, как это сделать. Были огромные технические трудности, которые потом удалось преодолеть, благодаря героической, не побоюсь этого слова, работе советских и российских ученых под руководством Алферова.
Но помимо технических аспектов у этих открытий и достижений есть и очень глубокое философское значение.
Дело в том, что Нобелевскую премию 2000 года поделили пополам. Половину отдали Жоресу Алферову и Герберту Кремеру, а другую половину — Джеку Килби. Килби не имел отношения к гетероструктурам; он был первым, по крайней мере так считается, кто создал интегральные схемы. Сейчас это основа основ всей микроэлектроники. Есть процессоры — это огромные интегральные схемы, есть схемы поменьше, фактически это аналоги гигантских электронных плат, уменьшенных до размера, который трудно себе представить.
Сейчас в процессоре каждого смартфона миллиарды транзисторов. А Килби создал интегральную схему, в которой их было всего два, но это был огромный шаг вперед, эта тропинка оказалась дорогой, которой пошло все человечество.
До транзисторов были электронные лампы — вакуумные приборы, в которых в вакууме между металлическими электродами перемещались электроны. Эти приборы достигли высочайшей степени совершенства, но как ни крути они были очень большими и их было трудно друг с другом интегрировать.
Идея интеграции как раз и была реализована Килби: что можно на одном кристалле сделать много разных приборов. Но это интеграция в плоскости, а работы Алферова позволили делать интеграцию как бы по вертикали.
Мы с вами привыкли — и даже не задумываемся об этом, что все устройства, которые нас окружают, в нашем понимании состоят из каких-то деталей, которые как-то соединены между собой. Это основа нашей технической культуры: все состоит из деталей, если одна сломается — ее можно заменить. А вот нанотехнологии — они принципиально другие. Это полностью другой подход, другая философия.
Мы привыкли, что детали могут отличаться формой, материалом, цветом — чем угодно. А детали, из которых состоят приборы наноэлектроники, почти никак друг от друга не отличаются! И эти микроскопические отличия — не в форме и не в чем-то таком, а в химическом составе. Эти приборы удивительно миниатюрны, и все они представляют собой единый кристалл, в котором при помощи очень тонких методов можно делать «надрезы», которые отделяют один прибор от другого. И в этой интегральной схеме, в этом кристалле, невозможно механически отделить одну деталь от другой, не сломав все это идеальное великолепие.
Вот в этом философском переходе и состоит достижение Алферова и его коллег. С одной стороны, это то техническое совершенство, которе нас окружает, та техническая революция, которая состоялась благодаря этим работам и продолжается сейчас. И, с другой, это некая философская революция. Благодаря им было не только достигнуто нынешнее состояние науки и техники, но и открыт путь для его дальнейшего развития. И это развитие в философском плане совершенно другое, чем было раньше.
Записал Константин Бенюмов