НОВОСТЬ ДНЯ

26 апреля с.г. состоялась рабочая встреча представителей Министерства науки и технической политики РФ и Государственного комитета Украины по вопросам науки и интеллектуальной собственности. Стороны взаимно проинформировали о ведущихся в России и в Украине исследованиях в области наноэлектроники, высоких технологий и технологий двойного применения. Стороны отметили необходимость расширения сотрудничества российских и украинских ученых и целесообразность заключения договора о научно-техническом сотрудничестве по областям, представляющим взаимный интерес, в частности по проблемам исследований и разработок в области нанофизики и наноэлектроники. На встрече присутствовали с российской стороны - А.Ф.Щербак, В.Г.Жотиков, В.Н.Ширяев, с украинской стороны - С.Ю.Ларкин, А.А.Васильев

ФУЛЛЕРЕНЫ

Беседы с Ю.А. о фуллеренах
Академик Юрий Андреевич Осипьян согласился прокомментировать для читателей ПерсТ’а состояние работ по направлению “Фуллерены”. По просьбе ПерсТ’а он также рассказал о своих личных исследованиях в этой области.

ПерсТ. Юрий Андреевич! Вы руководите подпрограммой “Актуальные направления в физике конденсированных сред”, в которую, как одно из направлений, входят “Фуллерены”. Как организованы исследования в России по этому направлению?

Ю.А. В направлении “Фуллерены”, как, собственно, и во всех программах, идущих под эгидой Миннауки, в текущем году прошла реорганизация. В отличие от ранее существовавшего свободного конкурса любых поданных проектов в определенной области исследований, теперь Научные советы заранее определяют наиболее перспективные направления исследований и формируют задания по ним. Экспертная комиссия отбирает для финансирования только проекты, направленные на выполнение этих заданий. Однако это, несомненно, некоторый отход от конкурсной системы, но он позволяет сосредоточить максимум усилий на наиболее выигрышных в перспективе исследованиях. В конце концов вариант свободного конкурса сохраняется, например, в РФФИ. В текущем году Совет выделил 5 направлений:

Здесь незримо присутствует деление на секции, близкие к тем, которые организованы, например, в направлении “Сверхпроводимость” нашей подпрограммы. Фактически при этом подходе сильно сократилось общее число тем и соответственно проектов. Вообще говоря, такой результат в действительности отражает новую политику Миннауки: поддерживать крупные стержневые для данной области исследований проекты, давая на них МНОГО денег. Пока (надеюсь, что временно, только в связи с кризисом 17 августа) МНОГО не получилось. Но будем надеяться…

В рамках направления “Фуллерены” мне, как видите, досталась физика. Но в связи с тем, что я являюсь руководителем всей подпрограммы, в организационных делах по направлению “Фуллерены” мне помогает Виталий Владимирович Кведер (ИФТТ РАН, Черноголовка). Надо сказать, что сосредоточенно и широким фронтом исследования физических свойств фуллеренов как раз и проводятся именно в ИФТТ. К этим исследованиям близко примыкают работы, выполняемые под руководством В.Л.Аксенова в Дубне (нейтронографические исследования фуллеренов), а также работы ИСАН – по быстрой спектроскопии, под руководством Ю.Е.Лозовика. По существу именно этими тремя коллективами и ограничивается регулярная “серьезная физика” – работы ИФТТ РАН, ИСАН и Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. Отдельные интересные физические работы выполняют в Физико-техническом институте в С.-Петербурге (в лабораториях акад. Б.П.Захарчени и чл.-корр. РАН А.А.Каплянского), в Институте автоматики и электрометрии СО РАН в Новосибирске под руководством проф. В.К.Малиновского и в МГУ. Но сосредоточенное исследование физики фуллеренов ведется как раз в нашем институте - ИФТТ.

ПерсТ. Юрий Андреевич! Из четырех направлений исследований (сверхпроводники, фуллерены, поверхностные атомные структуры, нейтронные методы), объединенных в подпрограмме “Актуальные направления в физике конденсированных сред”, Ваши личные симпатии, без сомнения, отданы фуллеренам. Почему такой выбор?

Ю.А. Да, это так. Я действительно увлекся фуллеренами, как научный работник. Возможность исследовать такой совершенно не похожий на все доселе известные науке объекты, как фуллерен, сама по себе уже удача для ученого. Помимо этого мой интерес связан (скорее, конечно, просто совпал) с одной необычной жизненной коллизией. В 1991 году мне фактически вернули жизнь после сложной операции на сердце в клинике известного всем проф. Дебейки в штате Техас. Необычность жизненной коллизии состоит как раз в том, что окно моей больничной палаты смотрело на территорию Университета Райса, где тогда мало кому известный доктор Ричард Смолли проводил первые опыты, в дальнейшем неожиданно приведшие его к открытию фуллеренов. Почувствовав, что жизнь возвращается, я посетил Университет Райса и по предложению его Президента познакомился именно с работами Смолли. Я оказался одним из первых людей, познакомившихся с фуллеренами. Так что можно сказать, что я в один день получил в подарок вторую жизнь и фантастический объект, сделавший мою вторую жизнь захватывающе интересной.

ПерсТ. В чем необычность фуллерена как объекта исследования?

Ю.А. Кристалл фуллерена является лучшим представителем касты молекулярных кристаллов. Можно даже сказать, что он гораздо более молекулярный кристалл, чем все известные на сегодня классические молекулярные кристаллы – бензол, антрацен или нафталин. Последние – углеводородные кристаллы, внешне гораздо менее симметричны. У них молекулы какие-то вытянутые, изогнутые. Кристалл, образованный из них нерегулярный. Здесь же, в фуллеренах, – исключительная симметрия кристалла. При этом взаимодействия внутри между отдельными молекулами – чисто ван-дер-ваальсовские.

Особый интерес вызывает фазовый переход в фуллерене вблизи температуры 260К, при котором происходит трансформация гранецентрированной кубической решетки (ГЦК) в примитивную кубическую (ПК). При Т > 260К в ГЦК решетке С60 каждому узлу соответствует одна молекула С60, совершающая почти свободное вращение. С понижением температуры ниже 260К симметрия кристалла скачком переходит из ГЦК в ПК фазу, при этом постоянная решетки почти не изменяется, также как и позиционное положение молекулы С60. Возникает, однако, дополнительный ориентационный порядок, так что каждому узлу ПК решетки соответствует тетраэдр, образованный четырьмя молекулами С60. Молекула С60 в тетраэдре может занимать два различных положения, переход между которыми происходит скачкообразно. При дальнейшем охлаждении ниже 85К скачкообразное вращение молекулы “замораживается”, кристалл переходит в состояние “ориентационного стекла”.

ПерсТ. Можно ли ожидать, что при такой необычной кристаллической структуре фуллеренов в них будет наблюдаться открытый Вами ранее фотопластический эффект?

Ю.А. Мне действительно посчастливилось открыть фотопластический эффект. Он заключается в том, что при освещении светом фотопроводника (например, CdS) в процессе пластического деформирования и движения в нем дислокаций возникают прыжки прочности и пластичности, что в то время было наукой запрещено. Мне удалось разгадать механизм этого явления, связанный, как оказалось, с локальным торможением движущихся дислокаций перезаряжающимися центрами. Это – своеобразный пиннинг, когда точка, удерживающая дислокацию, под действием света меняет свое зарядовое состояние. Это наблюдалось во всех фотопроводниках класса А2В6: Zn-Se, Cd-S и другие.

Вообще говоря, этот процесс не запрещен в любых полупроводниках, включая кремний и германий. Нужно только, чтобы процессы релаксации электронной структуры и движение зарядовых дислокаций находись в соответствующих соотношениях между собой. В соединениях А2В6 это соотношение как раз подходящее. В кремнии же скорость пластической деформации так мала, а температура так высока, что происходит термический отрыв электронов от этих локальных центров, т.н. инфракрасное гашение фотопластического эффекта. Я надеюсь найти фотопластический эффект и в фуллеренах. Для того чтобы его наблюдать экспериментально, надо сначала научиться управляемо вводить в кристаллы фуллеренов дислокации, двигать их и измерять пластические свойства. Часть моих сотрудников над этим сейчас работает. Во всяком случае, мы наблюдали наличие дислокаций в фуллеренах и их движение. Надо сказать, что наличие дислокаций в фуллеренах и вообще дислокационный механизм пластичности в фуллеренах априори не столь убедителен. Для количественного определения дислокационного механизма пластичности важна величина вектора Бюргерса. Выгодно ли вообще образовываться дислокациям в определенных кристаллах? Величина вектора Бюргерса в простом кристалле равна 2-3A. Энергия дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса, обычно это – gb2/2, где g-модуль сдвига, b2- квадрат вектора Бюргерса. В фуллеренах параметр решетки равен 15A, поэтому квадрат вектора Бюргерса более чем в 200 раз больше, чем в привычных материалах. Спрашивается, выгодно ли кристаллу терпеть внутри себя образование с такой высокой энергией? Априори на этот вопрос ответа нет. Может быть и не выгодно. И тогда механизм пластической деформации, если она вообще будет в фуллеренах, вообще может быть не дислокационным, потому что дислокациям энергетически не выгодно образовываться. Нам же удалось экспериментально показать, что дислокации в фуллеренах есть, и они движутся. Все-таки пластическая деформация может возникать в фуллеренах по дислокационному механизму. Сейчас мы готовимся к наблюдению воздействия света на движущиеся дислокации и попытаемся наблюдать фотопластический эффект.

ПерсТ. Как следствие необычной молекулярной и кристаллической структуры, наверное, неожиданности ждут нас и при исследовании электронной структуры?

Ю.А. В смысле электронного поведения фуллерен – полупроводник. Его электронная структура состоит из не очень широких разрешенных зон (шириной что-то около 0.5эВ), а запрещенная зона ~2.2эВ – типичная величина, характерная для полупроводников. Для начала необходимо было тщательно изучить электронную структуру, на что и были направлены серьезные усилия сотрудников ИФТТ. Мы стали изучать фотопроводимость, люминесценцию, поглощение, тщательно следя за тем, чтобы в эксперименте использовались лишь “чистые” кристаллы фуллеренов. Поэтому вопрос получения фуллеренов в нашем институте имел специфический аспект. Мы хотели получать как можно более чистые и правильные фуллерены.

Надо признать, что сейчас многие, особенно химики, очень увлекаются изучением и “нечистых” фуллеренов, навешивая на эти большие молекулы или “затаскивая” внутрь фуллереновой сферы всевозможные химические элементы в надежде синтезировать что-нибудь новенькое. Началась очень многообразная жизнь фуллереновых кристаллов, фуллеритов, развиваются технологические работы – как их получать, как испарять, как очищать, как прицеплять всякие довески. В этом собственно и есть суть химических работ. А физики, заинтересованные в изучении фундаментальных свойств, большое внимание уделили как раз способам очистки фуллеренов.

К слову, Вы знаете байку о том, что такое физика, химия и физическая химия? Физика – это наука, в которой чистыми методами изучают грязные кристаллы; химия – это наука, когда чистые кристаллы изучают грязными методами; а физическая химия – когда грязные кристаллы изучают грязными методами. Для такого замечательного (фантастического!) объекта, как фуллерены мы решили нарушить традиции и соединить физику и химию, изучать чистые кристаллы чистыми методами. Поэтому наши ростовые усилия начались с создания методов глубокой очистки фуллеренов. Мы занимались пересублимацией – испарением в одном месте и осаждением в другом, снова испарением, снова осаждением, испарением в градиенте температур, когда примеси отлетали. В конце концов, мы стали получать высокочистые высокосовершенные и более-менее крупные кристаллы, скажем, величиной с ноготь человека от мизинца. Кристаллы фуллеренов представляют собой пластинки; самые крупные - несколько см в длину и ширину и толщиной от 0.2 до 1мм. Получив чистые кристаллы фуллеренов, мы стали изучать их оптические (фотопроводимость, люминесценцию) и электрические свойства.

Наша задача была - выяснить электронную структуру, потому что для любых применений (а особенно в электронике) надо ее знать досконально. Аналогичную ситуацию физика переживала в 50-х годах в связи с прогрессом в применении теперь ставших “классическими” полупроводников – кремния, германия. Прежде чем их изучать, были развиты новые методы глубокой очистки, в частности, зонная плавка. Зонная перекристаллизация служила отправной точкой получения чистого кремния и германия, а, следовательно, и всей физики полупроводников. Такой же путь мы проходим сейчас с фуллеренами, которые могут стать основой принципиально новых полупроводниковых приборов.

(Продолжение беседы в следующем выпуске ПерсТ’a)

Теплопроводность одностенных нанотрубок
Как известно, из всех существующих материалов наивысшей теплопроводностью при нормальных условиях обладают алмаз и графит (в направлении вдоль плоскости). Третья известная модификация углерода, фуллерены, имеют существенно более низкую теплопроводность, что объясняется слабой связью между соседними молекулами фуллеренов в кристалле. А как же обстоят дела с теплопроводностью еще одной модификации углерода – нанотрубок? Большинство результатов по измерению теплопроводности не вносили полной ясности в этот вопрос, поскольку измерения проводились с неоднородными материалами, содержащими набор нанотрубок различной структуры. Возможно, приблизились к истине сотрудники California Univ. in Berkeley (J.Hone, M.Whitney, C.Pisconi, A.Zettl), проводившие измерения на пучке одностенных нанотрубок близкого диаметра и хиральности в диапазоне температур от 8 до 350К.

Они получали нанотрубки электродуговым методом с графитовыми электродами, заполненными изнутри в качестве катализаторов смесью порошков никеля и иттрия. Нанотрубки диаметром ~1.4нм образовывали спутанные клубки размером порядка микрона. Плотность комков составляла ~2% от плотности графита. Теплопроводность образцов с размерами 5 · 2 · 2мм3 измерялась методом сравнения. Во всей области температур (8 - 350К) наблюдался рост теплопроводности с температурой по закону, близкому к линейному с переломом вблизи Т ~ 40К. В результате обработки экспериментальных данных получено при комнатной температуры абсолютное значение 35Вт/м·К для теплопроводности гипотетического образца, максимально плотно заполненного нанотрубками. Это примерно в 60 раз меньше теплопроводности графита в направлении вдоль графитовой плоскости. Столь низкое значение теплопроводности авторы объясняют неупорядоченной структурой исследуемых образцов. Аналогичная ситуация была обнаружена недавно и при измерении электропроводности аналогичных образцов нанотрубок (ее значение оказалось почти в 100 раз ниже типичной величины для индивидуальной нанотрубки).

Сравнение результатов измерений электропроводности и теплопроводности нанотрубок позволяет считать основным механизмом теплопроводности в рассматриваемых условиях - фононный. Оценка длины свободного пробега фонона, проведенная на основании экспериментальных данных при Т ниже 30К, дает величину в интервале 0.5-1.5мкм.

Phys.Rev.B, 1999, 59, p.R2514

Нанотрубки как хранилище водорода
Еще один шаг в использовании углеродных нано-трубок как резервуара для хранения водорода сделан недавно группой американских исследователей из Университета Райса (Техас) и Калифорнийского технологического института при участии первооткрывателя фуллеренов Р.Смолли. В эксперименте использовались жгуты однослойных нанотрубок, имеющих хиральность (10,10) и диаметр 1.3нм, синтезированные методом лазерного распыления кристаллического графита в присутствии металлических катализаторов. Диаметр жгута варьировался в диапазоне от 6 до 12нм при расстоянии между трубками в жгутах 0.34нм. С целью разрыхления плотной кристаллической структуры жгуты помещали в диметилформамид и в течение 10час подвергали ультразвуковой обработке. Полученный таким образом материал обладал удельной поверхностью ~ 285м2/г. Заполнение нанотрубок водородом производили при давлениях газа 160бар (Т=300К) и 130, 70, 4.5 и 0.5бар (80К). Максимальная степень заполнения была достигнута при Т=80К и составила 8.5 весовых %, что соответствует отношению атомов Н/С, близкому к единице. Этот результат - рекордный для всех материалов на основе углерода, используемых в настоящее время для хранения водорода. Еще несколько интересных цифр из проведенного эксперимента: энергия взаимодействия молекул водорода с поверхностью нанотрубок - 13,5мэВ/атом Н, энергия когезии нанотрубок в жгуте - 4,5мэВ/атом С.

Конструкция будущих накопительных систем может быть значительно упрощена, благодаря отмеченной в эксперименте способности нанотрубок отдавать накопленный водород при давлениях, близких к тем, при которых они заполнялись.

Appl. Phys. Lett. 1999,74, p.2307

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Высокотемпературная сверхпроводимость в Na0.05WO3?
Известно, что перовскит WO3 является диэлектриком. Выполненные в Weizmann Institute of Science (Израиль) исследования монокристаллов WO3, легированных натрием, показали, что в поверхностном слое с составом Na0.05WO3, по-видимому, реализуется высокотемпературная сверхпроводимость с Tc=91К. Сверхпроводящий переход наблюдался по диамагнитному отклику при охлаждении образцов без магнитного поля (ZFC). Увеличение H от 100Э до 1000Э ведет к уменьшению диамагнитного сигнала и снижению Tc на 1К. При T=70К<Tc наблюдался гистерезис намагниченности, который отсутствовал при T=120К>Tc. Сопротивление при T=Tc резко падает, но в нуль не обращается.
To be published in Eur.Phys. J. B.
Contact: S.Reich
cpreich@weizmann.weizmann.ac.il
По материалам High-Tc Update, 1999, 13(9), May 1

Сверхпроводник Sr2RuO4 – электронный аналог сверхтекучего 3He
Вскоре после создания в 1957 году теории БКШ для "обычной" электрон-фононной сверхпроводимости, Кон и Латтинжер предложили обобщение этой теории на случай спаривания за счет межэлектронного взаимодействия [1]. Напомним, что согласно БКШ два электрона вблизи поверхности Ферми образуют связанное состояние (куперовскую пару), когда их притяжение вследствие обмена фононами преобладает над кулоновским отталкиванием (это происходит при температуре ниже критической температуры Tc). Куперовская БКШ-пара представляет собой изотропное синглетное образование с нулевым угловым моментом (l=0, то есть s-волна); полный спин электронов в паре S=0, то есть спины электронов ориентированы в противоположных направлениях.

Кон и Латтинжер показали, что даже если результирующее электрон-электронное взаимодействие является отталкивательным, оно все равно может привести к притяжению электронов и к формированию куперовских пар, но уже с более высокими значениями углового момента, например l=1 (p-волна) или l=2 (d-волна). Отметим, что при p-волновом спаривании координатная часть волновой функции является антисимметричной, поэтому ее спиновая часть должна быть симметричной, то есть полный спин двух электронов в паре S=1 (триплетное спаривание). Однако в простых металлах притяжение Кона-Латтинжера, согласно оценкам, чрезвычайно слабое, поэтому "необычное" сверхпроводящее состояние может реализоваться только при сверхнизких температурах. Сила такого притяжения должна быть существенно больше в переходных металлах и других соединениях, в которых электроны сосредоточены вблизи ионов. Более того, если металл близок к переходу в магнитоупорядоченное состояние, то эффективное притяжение электронов должно еще более возрастать за счет обмена магнитными флуктуациями. В 70-х годах триплетное p-волновое спаривание было экспериментально обнаружено в сверхтекучем 3He, представляющим собой незаряженную ферми-жидкость. Оставалось найти этот тип спаривания в заряженных (электронных) системах.

В течение довольно длительного времени кандидатами на "необычную" сверхпроводимость были соединения с тяжелыми фермионами. Но лишь недавно, после проведения непосредственных экспериментов, они сменили статус "кандидата" на статус "действительного члена" (да и то не все, а пока лишь UPt3 [2]). Примерно в это же время теоретики высказали предположение [3], что триплетное спаривание может реализоваться также в сверхпроводнике Sr2RuO4, имеющем довольно низкую Tc ~ 0.7K, но интересным своей изоструктурностью с ВТСП La2CuO4. Электроны в Sr2RuO4 формируют стандартную ферми-жидкость с четко определенной поверхностью Ферми (здесь имеется полное соответствие эксперимента с расчетами). Однако эффективная масса электронов в Sr2RuO4 необычно велика: она хоть и не такая большая, как в тяжелофермионных соединениях, но в 3 - 5 раз превышает массу свободного электрона, что указывает на сильное межэлектронное взаимодействие. К этому следует добавить, что магнитные моменты ионов Ru4+ имеют тенденцию к ферромагнитному упорядочению.

Серия недавних работ, опубликованных в "Nature" [4-6], однозначно решает вопрос в пользу триплетной p-волновой сверхпроводимости Sr2RuO4. Во-первых, исследования мюонного спинового резонанса позволили получить информацию об индуцированных магнитных моментах и установить, что в сверхпроводящем состоянии Sr2RuO4 имеет место нарушение симметрии относительно обращения времени [4], чего не может быть в сверхпроводнике с синглетным спариванием. Во-вторых, эксперименты по рассеянию нейтронов показали, что вихревая решетка в Sr2RuO4 обладает симметрией квадрата [5]. Это согласуется с расчетами, выполненными для триплетного сверхпроводника, причем ориентация вихревой решетки свидетельствует о том, что сверхпроводящее спаривание реализуется только на {xy}-"листе" поверхности Ферми, тогда как вся поверхность Ферми образована тремя "листами" с {xy}, {yz}, {zx} симметриями и цилиндрической топологией. Так попутно были объяснены результаты измерения удельной теплоемкости Sr2RuO4, из которых следовало, что в сверхпроводящем состоянии энергетическая щель присутствует лишь на части поверхности Ферми [7]. И, наконец, было установлено, что сдвиг Найта ЯМР-пиков атомов кислорода, который является мерой спиновой восприимчивости, не изменяется при сверхпроводящем переходе [6], тогда как при синглетном спаривании спиновая восприимчивость стремится к нулю при T-> 0. Экспериментальные данные по Sr2RuO4 лучше всего согласуются с p-волновым состоянием типа kiky (при этом куперовская пара есть линейная комбинация спиновых пар с осью квантования, перпендикулярной оси c) [6]. Интересно, что в UPt3 волновая функция имеет гораздо более сложный вид, чем обычная p-волна. Общий вывод таков [8]: сверхпроводящее состояние Sr2RuO4 представляет собой двумерный аналог так называемой A-фазы, одной из двух сверхтекучих фаз, наблюдаемых в 3He.

Таким образом, теория сверхпроводимости за счет межэлектронных взаимодействий подтверждена экспериментально. Но выяснилось, что (как, впрочем, и ожидалось) нефононный механизм спаривания приводит к очень низкой Tc. Кстати, одним из следствий p-волновой симметрии сверхпроводящего параметра порядка и низкой Tc является чрезвычайно высокая чувствительность "необычных" сверхпроводников к дефектам структуры. Так, например, сверхпроводимость удается наблюдать лишь в тех образцах Sr2RuO4, которые имеют остаточное удельное сопротивление меньше 1мкОм · см. Возникает вопрос: почему Tc медно-оксидных ВТСП более чем на два порядка выше, чем у рутенатов? И те, и другие имеют квазидвумерную кристаллическую структуру; и в тех, и в других присутствуют сильные спиновые корреляции. Может быть, причина резкого различия Tc кроется в различии нормальных состояний (T>Tc) рутенатов и купратов? В первых, как отмечено выше, электроны формируют ферми-жидкость, тогда как в ВТСП ферми-жидкостная картина ставится под сомнение (Ф.Андерсон и др.). Однако, по мнению Райса [8], это скорее симптом различия, нежели его истинная причина. Последняя, полагает Райс, может заключаться в разном характере спиновых флуктуаций (антиферромагнитных в ВТСП, но ферромагнитных в рутенатах).

Итак, практически полное понимание механизма сверхпроводимости рутенатов достигнуто за 4 года. Тем острее встает вопрос о механизме высокотемпературной сверхпроводимости оксидов меди, над которым бьются вот уже 13 лет... Л.Опенов

  1. W.Kohn, J.M.Luttinger, Phys Rev. Lett., 1965, 15, p.524
  2. H.Tou et al., Phys. Rev. Lett., 1996, 77, p.1374; Phys. Rev. Lett., 1998, 80, p.3129
  3. T.M.Rice, M.Sigrist, J.Phys. C, 1997, 7, L643
  4. G.M.Luke et al., Nature, 1998, 394, p.558
  5. T.M.Riseman et al., Nature, 1998, 396, p.242
  6. K.Ishida et al., Nature, 1998, 396, p.658
  7. Y.Maeno et al., J. Low Temp. Phys., 1997, 105, p.1577
  8. M.Rice et al., Nature, 1998, 396, p.627

НАНОСТРУКТУРЫ

Снова о нижегородской “Нанофотонике’99”
Сегодня мы снова вернемся к нижегородскому совещанию Нанофотоника’99 (см. ПерсТ, выпуски 6,7,8 с.г.)

Фотодетектор на один фотон
На совещании был представлен доклад О.Астафьева и В.Антонова (University of Tokyo, Япония) в соавторстве с их японскими коллегами, посвященный экспериментальному исследованию фотодетектора, способного регистрировать отдельные фотоны. Устройство представляет собой фактически одноэлектронный транзистор, сформированный с помощью технологии расщепленного затвора на гетероструктуре с двумерным электронным газом. Центральный островок транзистора, отделенный потенциальными барьерами от остальной части двумерного электронного газа, авторы называют квантовой точкой, хотя в действительности на нем сосредоточено много электронов. Но это уже вопрос терминологии. Структура помещается в магнитное поле. При переходе электрона, находящегося на центральном островке, в результате поглощения фотона на более высокий уровень Ландау распределение плотности заряда на островке изменяется. Это вызывает изменение эффективной емкости островка, а, следовательно, и тока одноэлектронного транзистора. По последним сведениям из Японии авторам уже удалось с помощью своего детектора надежно регистрировать отдельные фотоны с длиной волны 200мкм.

Попутно уместно вспомнить, что в 1994 году В.В.Вьюрковым, Л.Е.Федичкиным (ФТИАН, Москва) и В.И.Рыжием (сейчас University of Aizu, Япония) на конференции Микроэлектроника’94 (Звенигород) был предложен фотодетектор, способный регистрировать отдельные фотоны и являющийся в некотором роде предельным воплощением рассмотренной выше структуры. Устройство также основано на квантовой точке, но уже “настоящей”, в которой может находиться один электрон. При соблюдении определенных условий проводимость точки может быть “выключена” из-за кулоновского отталкивания, если электрон находится в квантовой точке, а если он удаляется из квантовой точки, например, поглотив фотон, то проводимость “включается”. Чувствительность такого фотодетектора могла бы быть чрезвычайно высокой, в частности, из-за эффекта фотоусиления. Авторы тогда назвали Японию, как пример страны, технологические возможности которой позволяют изготовить подобную структуру с помощью технологии расщепленного затвора. Как выясняется, это предположение оказалось провидческим.

Нанофотоника’99, c. 31-37.

Как добиться инверсной населенности
Проблема создания инверсной населенности является ключевой для лазерной генерации. Доклад Л.Е.Воробьева от группы сотрудников
С.-Петербургского ГТУ, Донбасской государственной машиностроительной академии и ФТИ им. А.Ф.Иоффе был посвящен экспериментальной реализации одной идеи (весьма интересной!) создания условий лазерной генерации в среднем ИК диапазоне в инжекционных гетеролазерах, основанных на переходах носителей заряда в квантовых точках и ямах. Об этой идее уже сообщал ПерсТ, а заключается она в том, что нижний уровень при длинноволновой генерации эффективно высвобождается из-за того, что он одновременно является верхним уровнем для коротковолновой генерации. Кстати, на конференции обнаружился исконный автор этой идеи, увидевшей свет еще в 1987 году (Physica Scripta T19, 215, 1987). Им является сотрудник ИФМ РАН (Н.Новгород) В.А.Козлов. Выяснилось, что, к сожалению, экспериментаторы не были ранее знакомы с этой публикацией. Что касается результатов, то пока удалось добиться лишь отчетливой фотолюминесценции. Однако оценки показывают, что при некотором совершенствовании структуры лазерная генерация возможна.

Другим способом очищения нижнего уровня лазерной генерации является резонансное туннелирование электрона на уровень в соседней квантовой яме. Результатам исследования подобных структур был посвящен доклад В.Н.Мурзина, Ю.А.Митягина и В.А.Чуенкова из Физического института им. П.Н.Лебедева.

Нанофотоника’99, с. 102-105, 51-55

Пористый кремний. Неожиданные откровения исследователей
Проблема пористого кремния была широко представлена на конференции “Нанофотоника’99” и даже была вынесена на обсуждение за круглым столом участников конференции. Одним из жгучих вопросов являлся, дошел ли уже пористый кремний до микроэлектроники. Несмотря на то, что в научной прессе частенько появляются положительные ответы на этот вопрос, даже те участники конференции, которые непосредственно имеют дело с этим материалом, высказали мнение о преждевременности такого заявления. Все-таки технология получения пористого кремния по-прежнему очень не стабильна, а сам материал подвержен быстрой деградации в течение недель в результате естественного окисления на воздухе. Даже причины свечения пористого кремния пока окончательно не выяснены. Простор для дальнейшей работы есть.

Так, два доклада Ю.С.Нагорнова из Ульяновского государственного университета были посвящены исследованию процессов, протекающих при получении пористого кремния, а также исследованию изменений его структуры при облучения быстрыми и медленными электронами. В докладе сотрудника этого же университета А.М.Орлова была рассмотрена фотолюминесценция пористого кремния с пассивирующим покрытием ZnS(Mn). Ю.А.Петров рассказал о спектроскопических исследованиях динамики окисления пористого кремния, выполненных в Институте спектроскопии РАН (Троицк) совместно с итальянскими коллегами. Авторы отдают предпочтение именно окисленным структурам, т.к. по сравнению с неокисленными они имеют ряд преимуществ: большая временная стабильность, как правило, более сильная люминесценция и прозрачность не только в ИК, но и в УФ, и видимом диапазонах.

Теоретики все еще имеют возможность выдвигать новые теории свечения пористого кремния, что и было предпринято в докладе Е.С.Демидова (ИФМ РАН, Н.Новгород). Предложенная модель учитывает перезарядку нанометровых гранул кремния, вкрапленных в диэлектрическую окись кремния SiO2, а также интерфейсные энергетические уровни на границе кремния с его окислом.

Углерод и олово в SiGe. Радужные перспективы!
Поскольку монографии и аналитические обзоры не поспевают за темпом современных исследований, то большой интерес на конференциях обычно вызывают обзорные доклады, позволяющие шире взглянуть на ту или иную проблему. Но их составление является тяжелым трудом. На сей раз, этот труд взял на себя сам председатель совещания “Нанофотоника’99” З.Ф.Красильник. Его доклад был посвящен светоизлучающим структурам на основе кремния. Помимо хорошо известных структур З.Ф.Красильник обратил внимание слушателей на новые и очень привлекательные возможности, которые дает добавка в гетеропару SiGe небольших количеств углерода и олова.

Единицы процентов атомов углерода позволяют, во-первых, убрать эффекты деформации, а значит, выращивать толстые (многопериодные) слои, а во-вторых, сделать гетерограницу I рода, что важно для оптоэлектронных применений [Mater.Lett., 1993, 18, p.57].

Серое олово само по себе является бесщелевым полупроводником с тем же типом решетки, что и у кремния. Представляется заманчивым создание прямозонных структур на основе SiGe:Sn/Si. Постоянная решетки Sn, однако, на 20% превосходит постоянную решетки кремния. Это означает, что критическая толщина слоев с высоким содержанием олова мала. Фотолюминесценция с энергией 1.055эВ наблюдалась при Т? 50К в слоях Si0.94Sn0.04 толщиной 150нм, выращенных псевдоаморфно на кремниевой подложке [Appl.Phys.Lett. 1996, 68, p.3105].

Технологии преодоления недостаточного финансирования
Естественно, технология в первую очередь страдает от недостатка финансирования. В России для преодоления этого постоянного недостатка приходится идти на большие "маленькие хитрости".

На совещании “Нанофотоника’99” А.Л.Асеев рассказал о том, что в Институте физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) с помощью сверхвысоковакуумного отражательного электронного микроскопа, построенного на основе коммерческого просвечивающего микроскопа, наблюдают in situ эпитаксиальный рост и даже снимают фильм, в котором можно воочию наблюдать влияние условий роста на формирование той или иной структуры на поверхности.

Доклад сотрудника этого же института О.П.Пчелякова был посвящен формированию нанокластеров на гетероповерхности Ge/Si на отечественной установке молекулярно-лучевой эпитаксии “Катунь-С”. Островки высокой степени однородности получены в Институте физики микроструктур (Н.Новгород), правда, на сей раз на установке фирмы “BALZERS”, о чем сообщил в своем докладе А.А.Новиков.

Диагностические методы исследования поверхности совершенствуются, но даже в том случае, когда мы сможем следить за движением отдельных атомов, мы не будем в еще в состоянии понять причину их поведения. Тут на выручку приходит математическое моделирование. В ИФП СО РАН разработана трехмерная решеточная модель Монте-Карло для описания эпитаксиального роста на поверхности (111) кристалла с алмазоподобной решеткой (к такого рода кристаллам относится, в частности, любимый материал микроэлектроники - кремний). Модель описывает не только рост типа “твердое на твердом”, но и “рыхлый” рост, когда приповерхностный слой может содержать глубокие поры, ступени и островки многоатомной высоты, вакансии в объеме и на поверхности. Энергия связи атома с решеткой и вероятность его отрыва от данного места определяется его окружением. Оказывается, что при моделировании эпитаксии и диффузии на поверхностях алмазоподобной решетки нельзя ограничиться только учетом ближайших соседей, в частности диффузия на атомно гладкой (111) поверхности идет исключительно по “вторым” соседям. В представленной модели переходы атомов происходят на места первых, вторых и даже третьих соседей, которые нельзя исключить для учета переходов атомов через ступени. Особенностью программы является и то, что она использует особый алгоритм Монте-Карло, исключающий “пустые” события, когда не происходит изменения положения атома.

Результаты расчета были представлены на конференции З.Ш.Яновицой. Получаемые при расчете структуры качественно согласуются с теми, что видят на эксперименте, во всяком случае, картинки очень похожи. Роль математического моделирования чрезвычайно велика, поскольку только с его помощью можно разобраться с элементарными процессами в эпитаксиальном росте, что открывает возможности сознательного управления им.

Кстати, на конференции выяснилось, что Зоя Шмеровна не только ловко гоняет атомы кремния, но и шарики в настольном теннисе. Все возрасты напарников ей оказались покорными.

“Нанофотоника’99”

ТОРЖЕСТВА

Всемирный форум физиков в Атланте
В марте с.г. в Атланте (США) прошли два знаменательных события в жизни физики: 23 Генеральная ассамблея Международного союза чистой и прикладной физики (IUPAP) и торжества по поводу 100-летнего юбилея Американского физического общества (APS). Не страдая излишней скромностью, американцы превратили последние национальные торжества во всемирный форум физиков под лозунгом “100 лет физике”. И надо отдать им должное, размах торжеств был поистине мировым, к тому же все было прекрасно организовано. В форуме приняли участие почти 10000 физиков со всех стран мира, среди них 50 лауреатов нобелевской премии. Русскую диаспору представляли 450 физиков (тоже из разных стран мира, в том числе из России – 20 физиков). Форум состоял из 2 частей – чисто научной (работало более 30 научных секций, множество тематических выставок) и фестиваля. Чтобы представить себе, что такое физический фестиваль, перечислим названия нескольких представленных на нем докладов: “Искусство хаоса (The Art of Chaos)”, “Физика танца - The Physics of Dance”, “Фракталы и скейлинг в природе, культуре и финансах - Fractals and Scaling in Nature, Culture and Finance”, “Любовник по Шредингеру (концертное исполнение) - Schrodinger’s Girlfriend (Staged play reading)” и другие. К удивлению обнаружилось, что “Физики шутят” не только в России.

В научной части были представлены все аспекты физических исследований в мире. Можно было услышать рассказы о кварках, протонах, ядрах, атомах, молекулах, DNA, живых организмах, кристаллах, газах, жидкостях, гранулярных материалах, планетах, плазме, звездах, галактиках, микроволновом фоне. Рассматривались эффекты при температурах от миллиардных долей градуса до миллиардов градусов, при давлениях от миллиардных долей паскаля до миллиардов паскалей. Мощность лазеров стартовала с милливаттного диапазона и достигла петаваттного, в то время как компьютерная мощность идет от одного кубита к петабитам. Дискуссия о частицах началась с того, что они бывают либо свободными, либо квазисвободными, но закончилась тем, что чаще они выступают в некотором упорядоченном виде, например, как квантовые точки, квантовые ямы, квантовые контакты, квантовая интерференция, квантовый хаос, квантовая гравитация, квантовые компьютеры, квантовая телепортация, квантовая логика. В конце концов все это сводится к управлению одиночным электроном и использованием его в качестве носителя информации. В случае успеха в реализации эта идея принесет триллионы долларов дохода. Вот какая всеобъемлющая наука физика, вот какие дивиденды сулят успехи фундаментальной физики. Так что проведенный форум стал одновременно мощной рекламной кампанией высокой физики. Интерес вызвали дискуссии о лазерах на фотонных кристаллах, о лазерной спектроскопии для раннего обнаружения рака, о возможности создания компьютера на основе молекул DNA.

К форуму журнал Nature подготовил очень интересный специальный выпуск, в котором повторил оригиналы своих публикаций, оказавших, по мнению редакции, значительное влияние на последующее развитие науки, начиная с 1896 года (У. Рентген, “Новый тип лучей”) до наших дней. Последняя в этом ряду – публикация 1997 года – “Экспериментальная квантовая телепортация” группы авторов из Университета Инсбрука. Из российских работ в этом списке (всего - 21 публикация) отмечена статья П.Капицы “Вязкость жидкого гелия ниже l -точки”, опубликованная в 1938 году (полный список отобранных редакцией веховых публикаций представлен в конце этого сообщения).

Надо сказать, что проведенная ассамблея IUPAP и последующий форум не стали победными для российской физики. Уже приведенные выше данные о числе участников (из 450 физиков т.н. “русской диаспоры” только 20 представляли Россию) убеждают в том, что физикам в России стало не уютно. Они ищут место, где можно работать активно. Увы! Теперь это место – не Россия. Ведь здесь даже научные журналы приходят в библиотеки с полугодовым опозданием (если вообще приходят). Значительно снизилось представительство России в Исполнительном Совете IUPAP. Достаточно сказать, что Россия потеряла место заместителя Президента Совета IUPAP. В предыдущие годы это место занимал академик Л.В.Келдыш. Выступая на Генеральной ассамблее, он предложил снизить размер ежегодного взноса страны-члена IUPAP (очень актуально для современной России, но другие участники это предложение не поддержали). Ни один российский представитель не возглавил ни одну из 18 тематических комиссий IUPAP на период 1999-2002гг. Можно только выразить сожаление по этому поводу, особенно осознавая основополагающее место физики в прогрессе высоких технологий – основе цивилизованной жизни в 21 веке. В.Г.Жотиков

Перечень "веховых" публикаций в Nature (по выбору редакции Nature):

  1. On a new kind of rays (1896) W.C.Rontgen
  2. A brief outline of the development of the theory of relativity (1921) A.Einstein
  3. Waves and quanta (1923) L.de Broglie
  4. The scattering of electrons by a single crystal of nickel (1927) C.Davisson, L.H.Germer
  5. A new type of secondary radiation (1928) C.V.Raman, K.S.Krishnan
  6. Possible existence of a neutron (1932) J.Chadwick
  7. Artificial production of fast protons; Disintegration of lithium by swift protons (1932) J.D.Cockcroft, E.T.S.Walton
  8. Viscosity of liquid helium below the l -point (1938) P.Kapitza
  9. The l -phenomenon of liquid helium and the Bose-Einstein degeneracy (1938) F.London
  10. Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction (1939) L.Meitner, O.R.Frisch
  11. Evidence for the existence of new unstable elementary particles (1947) G.D.Rochester, C.C.Butler
  12. A new microscopic principle (1948) D.Gabor
  13. A structure for deoxyribose nucleic acid (1953) J.D.Watson, F.H.C.Crick
  14. Man-made diamonds (1955) F.P.Bundy, H.T.Hall, H.M.Strong, R.H.Wentorf
  15. Stimulated optical radiation in ruby (1960) T.H.Maiman
  16. Observation of a rapidly pulsating radio source (1968) A.Hewish, S.J.Bell, J.D.H.Pilkington, R.A.Collins
  17. Image formation by induced local interactions: examples employing nuclear magnetic resonance P.C.Lauterbur
  18. C60: buckminsterfullerene (1985) H.W.Kroto, J.R.Heath, S.C.O’Brien, R.F.Curl, R.E.Smalley
  19. A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12 (1992) A.Wolszczan, D.A.Frail
  20. Superconductivity above 130K in the Hg-Ba-Ca-Cu-O system (1993) A.Schilling, M.Cantoni, J.D.Guo, H.R.Ott
  21. Experimental quantum teleportation (1997) D.Bouwmeester, J-W.Pan, K.Mattle, M.Eibl, H.Weinfurter, A.Zeilinger

КОНФЕРЕНЦИИ

Очередной XII трехсторонний (Германия, Россия, Украина) семинар по ВТСП планируется провести в Киеве в конце октября 1999г. по следующей научной тематике:

  1. Фундаментальные свойства, включая транспорт носителей тока в мезоскопических сверхпроводящих гетероструктурах.
  2. Пиннинг и динамика вихрей.
  3. ВТСП материалы.
  4. Сверхпроводниковая микроэлектроника и СВЧ приборы.
  5. Сильноточные применения.

Контакт для российских участников:
С.С.Иванов
Тел. (095) 132 7546
E-mail: ssi@htsc.msk.su


Ответственный редактор С.Т.Корецкая, тел: (095) 930 33 89 stk@htsc.msk.su

В подготовке выпуска принимали участие:
В.Вьюрков, А.Елецкий, Ю.Метлин, Л.Опенов