Поиск - новости науки и техники

Настольный ускоритель. Работа с графеном сродни экспериментам на коллайдере.

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