«Мы просто повторяем то, что сделал Алфёров»

15 марта 2020 года могло бы исполниться 90 лет великому российскому ученому Жоресу Алфёрову. Мы хотим вспомнить этого человека, который блестяще разрешил неподъемные до него проблемы в области физики и превратил их решения в сотни составляющих нашей повседневной жизни.

Основной научной сферой Жореса Ивановича Алфёрова была физика полупроводников. Он окончил Ленинградский электротехнический институт, работал в РАН, СПб АУ РАН, директорствовал в ФТИ имени А. Ф. Иоффе. В 1970 году стал доктором физико-математических наук, получил звание профессора в 1972-м, степень академика АН СССР в 1979-м, академика РАН в 1991-м. В 2000 году ему была вручена Нобелевская премия по физике.

Жорес Иванович был обладателем множества государственных наград: орденов Александра Невского, Ленина, Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, «Знак Почета»: ему были вручены медали «За доблестный труд», «Ветеран труда», «За заслуги перед Отечеством»; нагрудные знаки «Заслуженный машиностроитель Российской Федерации» и «Почетный гражданин Санкт-Петербурга». Также он был обладатель самых статусных премий: Ленинская премия, Государственная премия СССР, Государственная премия Российской Федерации. Другие страны тоже отметили его заслуги, присвоив статус офицера ордена Почетного легиона, в частности. Жорес Алфёров являлся иностранным членом Национальной академии наук США и Национальной инженерной академии США, Корейской академии наук и технологий, Китайской академии наук, Польской академии наук, членом Академий наук Республики Беларусь, Молдавии, Азербайджана, почетным членом Национальной академии наук Армении. Характерно, что даже в период охлаждения отношений с Западом Жорес Иванович высказывался за продолжение международных научных контактов.

Биографию Жореса Алфёрова как великого физика, опередившего свое время, вы можете прочитать на множестве сайтов в Интернете. Но давайте разберемся: какие его научные достижения были так высоки, что стали отмечены Нобелевской премией по физике? И что они принесли каждому из нас в результате?

Та самая премия в 2000 году была присуждена с формулировкой Нобелевского комитета: «За разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике» (For developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and optoelectronics). То есть, по сути, за создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов. А вот история этой идеи развивалась очень небыстро.

Алфёров всегда специализировался на физике полупроводников и квантовой электронике, но с самого начала создавал первые транзисторные приемники в СССР. Есть даже легенда, что в один день по радио объявили о создании в Америке транзистора, а уже на следующий день Жорес Алфёров собрал и первый работающий советский.

Но молодого тогда ученого всегда влекли самые сложные вопросы, еще не исследованные до победного решения, до положительного результата.

За 40 лет до своей «нобелевки» Алфёров заинтересовался научной областью гетеропереходов. Обывателю это название ничего, конечно, не скажет. Если говорить просто, то гетеропереход – это переход в месте контакта различных по химическому составу полупроводников. К примеру, между двумя монокристаллическими или аморфными – или между монокристаллическим и аморфным. Гетеропереходы нужны для создания потенциальных ям для электронов и дырок в многослойных полупроводниковых структурах (гетероструктурах).

Для развития науки, а дальше – развития прикладного применения научных открытий здесь важно то, что на гетероструктурах делаются лазеры. А это слово уже знакомо всем.

Вообще, лазеры уже были созданы до Алфёрова. Однако это были грубые громоздкие приборы, где источником излучения выступал либо кристалл, либо газ. Сделать их компактными смогли полупроводники, однако оставалась проблема нестабильности и сложных условий – лазеры на основе p-n перехода работали при температуре почти в -200 градусов Цельсия. Алферов в 1963 году предложил заменить p-n переход парой из полупроводников – гетероструктур.

Сформировать этот многослойный «бутерброд» оказалось очень сложно. Требовалось найти два полупроводника с почти одинаковыми параметрами кристаллической решетки. И раньше уже искали такую «идеальную пару», но долгое время поиски были напрасны, и многие в науке разочаровались в перспективе такого решения. «Пара» это начала считаться почти утопией, этаким «философским камнем», «волшебным единорогом».

Однако Жоресу Алфёрову удалось этого единорога поймать и обуздать. Им была создана специальная технология для формирования гетероперехода – напыление кристалла на подложку (собственно, теперь термин «гетероструктура» и означает выращенную на подложке слоистую структуру из различных полупроводников). «Единорог» был пойман – им стала гетеропара галлий арсенид – алюминий-галлий арсенид (GaAs – AlGaAs).

Алфёров исследовал гетеропереходы вместе с Рудольфом Казариновым, и вместе они создали, на основе найденной «идеальной пары», работающий полупроводниковый лазер, который сегодня применяется в оптико-волоконной связи. Далее гетеролазеры фактически вывели на большую дорогу новую сферу физики – оптоэлектронику.

В 1970 году Алфёров защитил докторскую диссертацию, в которой обобщил новый этап исследований гетеропереходов в полупроводниках и получил степень доктора физико-математических наук. Спустя год Франклиновский институт в США присудил ему престижнейшую награду, медаль Стюарта Баллантайна – за разработку гетеролазера.

В 1970 году в лаборатории Алфёрова создали первые в мире солнечные батареи – ими быстро стали оснащать космические спутники, а потом сделали источником электроэнергии для орбитальной станции «Мир».

Еще через год Жорес Иванович возглавил базовую кафедру оптоэлектроники ЛЭТИ и начал исследования широкозонных твердых растворов соединений и создание на их основе эффективных инжекционных источников излучения в видимой части спектра. В 1990-х он занимался исследованием свойств наноструктур пониженной размерности: квантовых проволок и квантовых точек.

Так что именно Жоресу Алфёрову мы обязаны созданием оптоволоконных линий с огромной пропускной способностью, а значит, и формированием целых промышленных отраслей и всей нашей современной жизни. Ведь на оптоволокне создаются телекоммуникационные сети всех уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. И это не единственное применение оптоволоконных технологий. На их основе, к примеру, создают датчики для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Преимущества таких датчиков – маленький размер и очень слабое потребление электроэнергии. Оптоволокно применяют в сейсмических и гидролокационных приборах (системы с гидрофоновыми датчиками используются, например, при нефтедобыче и на флоте), в лазерных микрофонах, в новых химических датчиках, которые очень важны для изменения экологических показателей. Светодиоды, устройства дуговой защиты, лазерные гироскопы в самолетах и автомобилях, гироскопы для космических кораблей, датчики магнитного поля и электрического тока – всё это уходит корнями в далекие 60-е годы. Широко используется оптоволокно и в области освещения: это, например, медицинские световоды – и любые другие, где яркий свет нужно доставить в труднодоступную зону, медицинское оборудование наподобие эндоскопов (где пучок света используется совместно с линзой для формирования изображения, особенно при просмотре объектов через маленькое отверстие), автомобильная светотехника, уличное освещение, рекламные вывески и билборды, инновационные произведения искусства… Разумеется, и все современные гаджеты – мобильные телефоны, ноутбуки, планшеты, проигрыватели компект-дисков – несут в своих устройствах светодиоды, сконструированные изначально по идее Алфёрова… Даже простейшая лазерная указка была бы невозможна без когда-то пойманного «единорога»! А солнечные электростанции, в развитии которых Алфёров был убежден, как убежден был и в том, что они постепенно заменят тепловые и атомные станции, – действительно становятся глобальным делом будущего.

Конечно, всем известно, за что Жорес Иванович получил «нобелевку». Гораздо меньше людей знает о том, что Жорес Алфёров был автором еще пяти десятков изобретений, каждое из которых по-своему революционно. И совсем мало кто знает следующие факты. Премию он ждал 37 лет, а когда получил ее, то часть отдал на создание Фонда научной и образовательной поддержки для талантливой учащейся молодежи.

Он получал массу предложений работать за рубежом, особенно часто – из США, куда его приглашали еще в 1971 году, но никуда не поехал – даже в самые сложные для ученых, и особенно физиков, 90-е годы.

Когда у него уходило три часа на дорогу до института, он попросил раскладушку и ночевал там, чтобы не тратить драгоценное время. Зато когда жил с женой в разных городах, каждую неделю в течение полугода летал к ней из Ленинграда в Москву. Все это ярко рассказывает нам о том, каким Жорес Алфёров был не только ученым, но патриотом – и человеком.

А закончить этот небольшой обзор о личности великого ученого хотелось бы известным фактом, который моментально стал притчей в научных кругах. Когда в начале 70-х годов советский математик Мсти-слав Келдыш впервые из отечественных ученых той эпохи посещал Лабораторию Линкольна (научно-исследовательское учреждение Министерства обороны США в структуре Массачусетского технологического института), то он спросил, какие работы СССР по полупроводниковым лазерам в Америке известны. В ответ прозвучало: «Мы просто повторяем то, что сделал Алфёров».

Источники: kommersant.ru, rbc.ru, «Физика и жизнь» – СПб.: Наука, 2001

Фото: duma.gov.ru