Инициированный несколько лет назад нашими английскими соотечественниками Новоселовым и Геймом графеновый бум продолжается. Графен и ему подобные материалы обещают резкий взлет наноэлектроники. А может ли наша страна внести свой вклад в этот революционный процесс? Наверное, да, если учесть то, что этой перспективной темой занимаются ученые самых разных регионов. Один из них — старший научный сотрудник Сектора теоретической физики Института физики Дагестанского научного центра РАН, доцент кафедры теоретической физики Дагестанского госуниверситета доктор физико-математических наук Заур Алисултанов. На разработку его темы — “Исследование электронных свойств топологических материалов: графеноподобных структур, топологических изоляторов, вейлевских полуметаллов” — выделен грант Президента РФ в поддержку молодым докторам наук. Наш корреспондент услышал много любопытного, например узнал, что защита может быть “топологической”.
— К сожалению, я плохой популяризатор и вряд ли после моего рассказа непосвященный читатель поймет, что такое топологические материалы, — сразу же признается Заур Замирович. — Но попробую объяснить. Начну не с общих понятий, а с конкретного примера — топологического изолятора. Известно, что вещество может быть трех типов: диэлектрик, полупроводник и металл. Другими словами, может вообще не проводить, плохо проводить либо хорошо проводить электрический ток. Так вот, оказывается, это не все, что можно себе представить.
Существуют материалы, которые на поверхности металлы, а внутри объема — диэлектрики. Это и есть топологические изоляторы. Почему используется слово “топологические”, а не какое-то другое? Металлическая фаза на поверхности топоизоляторов есть не потому, что с этой поверхностью сделали что-то особенное. Она существует по фундаментальным причинам. Для этого с физической точки зрения достаточно только наличия поверхности на материале, то есть чтобы образец был конечных размеров.
Иначе говоря, если мы вырежем кусок из объема топоизолятора, то этот кусок также будет топоизолятором: металлом на поверхности и диэлектриком внутри. И абсолютно не важно, какого размера и какой формы поверхность.
С другой стороны, есть раздел математики — топология, которая изучает фундаментальные особенности различных геометрических форм. В отличие от геометрии, в ней не изучаются метрические свойства, такие как протяженность. Возьмем, например, шестиугольник. Можно нарисовать бесконечное число различных шестиугольников, начиная с правильных и заканчивая самыми безобразными. С точки зрения геометрии это разные фигуры, так как у них разные углы, размеры.
Но если мы охарактеризуем каждый многоугольник суммой всех его углов, то все они будут эквивалентны: независимо от формы у всех сумма углов равна 720 градусам. Это и есть топологический подход. Аналогично металлическая поверхностная фаза в топоизоляторах существует независимо от формы поверхности. Это некое топологическое состояние. Еще мы говорим о нем: “топологически защищено”. Точно так же, как число 720 градусов “защищено” в случае шестиугольников (это число никак не изменится при любых деформациях шестиугольника, меняющих его форму, но оставляющих его шестиугольником).
Такой же топологической защитой в топоматериалах обладает и движение носителей. Например, не так-то просто изменить в них направление движения электронов. Существует целый ряд типов внешних возмущений, с помощью которых вы не сможете повлиять на движение электронов, а соответственно и на электронные свойства. Все это приводит к очень интересным эффектам. Вот такими свойствами обладают топоматериалы.
— Как вы начали заниматься этой темой?
— Моя научная деятельность началась в 2011 году с изучения графена. Исследования по графену вошли в мои кандидатскую и докторскую диссертации, а также в первый президентский грант (2015-2016 годы). После того как Новоселов и Гейм в 2004-м продемонстрировали возможность получения и исследования этого материала, а также показали уникальность его для электроники, по всему миру начался графеновый бум. Одним из многочисленных его плодов стал поиск новых графеноподобных материалов, что в конечном итоге привело к топоизоляторам и вейлевским полуметаллам.
— Несмотря на популярность темы, кто-то из наших читателей, может быть, не знает, что такое графен и графеноподобные материалы. Напомните, пожалуйста.
— Графен — это двумерный углерод со структурой в виде пчелиных сот. Графеноподобные материалы — двумерные кристаллы, со структурой пчелиных сот, но состоящие, в отличие от графена, не из углерода. Сейчас интенсивно исследуют двумерные кремний, германий, фосфор, именуемые соответственно силицен, германен, фосфорен. Графен обладает высокой электропроводностью (на порядок выше, чем у меди), высокой теплопроводностью (на несколько порядков выше, чем у меди) и большой прочностью (коэффициент жесткости в 200 раз больше, чем у стали). Все это делает материал очень перспективным для наноэлектроники.
Уникальность графена еще и в том, что в нем в лабораторных условиях можно наблюдать экзотические явления фундаментальной физики, для наблюдения которых в вакууме необходимы огромные энергии, а значит, большие ускорители. В этом смысле графен по праву называют “ЦЕРНом на столе”.
Графен и топоизоляторы — это двумерные электронные состояния. Графен сам по себе двумерен, а уникальные свойства топоизоляторов связаны с его поверхностью. Трехмерные аналоги таких состояний есть в вейлевских и дираковских полуметаллах со своими уникальными особенностями.
Все это очень интересно. Актуальность этих тем дополнительно подтверждена присуждением в 2016 году Нобелевской премии по физике за топологические фазы (Таулес, Костерлиц, Халдейн).
— Как вы проводите исследования?
— Я физик-теоретик. Поэтому основная работа идет в голове и на бумаге, а также в компьютере. При этом я полностью согласен, что физика — наука экспериментальная. Новая теория возникает по результатам экспериментов (этим мы отличаемся от математиков). Я внимательно слежу за экспериментальными результатами в моей области, пытаюсь объяснить новые эффекты. Но в то же время много исследований проводится чисто теоретически, на основе ранее полученных результатов и существующих теорий. Предсказываются новые эффекты, разрабатываются более совершенные модели. Этот подход мне нравится. Самое большое счастье, когда предсказанный тобой эффект обнаруживается экспериментально.
— Насколько перспективна ваша тема в прикладном смысле?
— Я не специалист по приложениям. Как я уже говорил, состояния в топоматериалах обладают защитой, и многие виды внешних возмущений не влияют на электронные состояния. Теперь представьте, что из таких материалов создано устройство. Понятно, что его работа также будет обладать топологической защитой, то есть устройство эффективное и долговечное.
Объясню, что я имею в виду. В 1980 году нашли эталон сопротивления. И это связано не с тем, что физики научились получать более чистые материалы. Просто было обнаружено явление — квантовый эффект Холла, в котором сопротивление определяется фундаментальными физическими константами, а не свойствами материала. В этом явлении измеряемая величина абсолютно не зависит от чистоты материала, его размеров. Это и есть эталонная величина. Так вот, в топоматериалах как раз наблюдаются такие эталонные явления, а значит, соответствующие приборы также будут эталонными. Их работа неизменна во времени. Такой прорыв, я считаю, будет истинной технологической революцией. В этом смысле такие материалы представляют чрезвычайно большой прикладной интерес.
Мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Но мы также предложили ряд новых моделей электронных устройств. Надеюсь, они будут реализованы в будущем.
— Как вы оцениваете уровень проводимых вами работ по сравнению с западными коллегами?
— Во-первых, мы тесно сотрудничаем с западными коллегами. И во многом уровень проводимых нами исследований совпадает, по крайней мере тех, по итогам которых мы готовим совместные статьи. Во-вторых, если говорить в общем, то тут нужно отдельно рассматривать теоретиков и экспериментаторов. Российские теоретики неплохо конкурируют с западными коллегами. В основном, это связано с тем, что, несмотря на все реформы, в России еще существуют хорошие центры, например Институт теоретической физики им. Л.Д.Ландау.
Кроме того, теоретики не нуждаются в дорогих приборах, установках. А вот экспериментальная сторона, мне кажется, в плачевном состоянии, потому что современные исследования не проводятся с помощью одних только амперметров и вольтметров. Очень часто это чрезвычайно дорогие приборы, материалы, технологии, приобретение которых не может позволить себе практически ни одна научная организация РФ.
Если рассматривать в целом, то уровень исследований западных коллег значительно выше. В Принстоне недавно получили макроскопический графеновый материал, в 10 раз прочнее стали. А в Гарварде создали металлический водород. Что-нибудь подобное вы слышали про российские центры в последнее время? Наше преимущество — это огромное научное наследие советского периода, за счет которого мы пока держимся.
— Ваши планы.
— Продолжать свое любимое дело. Задач много, желания их решать — еще больше. И конечно, надеюсь, состояние российской науки существенно улучшится, потому что хочется работать именно в своей стране.
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено З.Алисултановым
Нет комментариев