Самое опасное слово в физике

Конференция по микро- и наноэлектронике ICMNE-2018, спонсором которой традиционно выступает компьютерная компания НИКС, имеет статус международной, и ее рабочий язык – английский. Не всем докладчикам он давался легко. К примеру, речи участников из Японии звучали довольно специфически. Тем приятнее было слышать великолепный английский в докладах молодых российских ученых. Например, в выступлении Дмитрия Александровича Свинцова, старшего научного сотрудника – заведующего лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

– Откуда такой хороший английский? Долго жили за рубежом?

– За рубежом я бывал очень мало. Помимо конференций разве что раза три ездил на месячные стажировки в Японию. А английский я знаю, потому что учился в школе с гуманитарным уклоном в своем родном городе Рязани. Школа была языковой, но в старших классах к нашему обучению привлекли хорошего преподавателя физики, и ради эксперимента в гуманитарной школе сделали физмат класс. Я туда пошел и понял, что физика мне нравится больше. Получилось, что и английский хороший остался, как общая специализация школы, и физику преподавали на хорошем уровне. Конечно, чтобы поступить в МФТИ, пришлось самому дополнительно заниматься. МФТИ я окончил в 2011 году. В 2012 стал кандидатом физико-математических наук. Сейчас заведую лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов.

– Чем занимается ваша лаборатория?

– Мы занимаемся применением двумерных электронных систем – таких, как графен – в оптических приборах: в фотодетекторах, генераторах, модуляторах. Это фундаментальная физика, но нацеленная на практическое применение.

– Вы выступили на конференции сразу с двумя докладами. О чем они?

– Первый доклад был посвящен резонансному детектированию терагерцевого излучения с помощью графенового транзистора. Мы обнаружили, что электроны в графене могут при некоторых частотах падающего излучения колебаться очень сильно, то есть на некоторых частотах у них возникает резонанс, как у натянутой струны на определенной частоте. Только гитарная струна колеблется на звуковой частоте (от 20 Гц до 20 кГц), а электроны в графене – на частотах порядка единиц терагерц (1 ТГц = 10¹² Гц). При облучении графенового транзистора такой частотой фототок резко возрастает. Такие резонансы искали давно, но до сих пор качество графена и некоторые технологические тонкости не позволяли этого достичь. А нам в сотрудничестве с Университетом Манчестера и группой Григория Гольцмана из Московского педагогического университета удалось экспериментально обнаружить резонансные плазменные колебания электронов в графене и использовать их для детектирования терагерцевого излучения.

Второй доклад должен был делать мой научный руководитель Владимир Вьюрков, но у него в это же время было другое выступление, и я вынужден был подменить его как один из соавторов. Этот доклад был посвящен туннельным транзисторам. Это новый принцип электронных переключателей, которые являются альтернативой классическим транзисторам типа металл-диэлектрик-полупроводник. Обычный транзистор может находиться во включенном или выключенном состоянии, которое определяется его электросопротивлением. Большое электросопротивление – это 0, маленькое – 1. Создается энергетический барьер, который электроны не могут перепрыгнуть в закрытом состоянии. В туннельном транзисторе электроны не перепрыгивают через барьер, а просачиваются сквозь него благодаря квантовому явлению туннелирования. И в этих транзисторах осуществляется управление туннельной прозрачностью барьеров. Для электроники это может быть полезно, потому что достаточно чуть-чуть изменить управляющее напряжение и прозрачность барьера, как ток изменится очень сильно. Получается, что слабыми электрическими сигналами можно сильно изменять состояние транзистора. Это более энергоэффективно.

– Что самое интересное произошло в последние годы в области, в которой вы работаете?

– Что лично меня удивило, так это новая тенденция, которая начала развиваться с 2017 года. Оказалось, что электроны в чистых двумерных системах ведут себя подобно заряженной жидкости, то есть сейчас происходит странный разворот от квантовой физики к классической. Раньше казалось, что чем чище полупроводник, тем более в нем заметны квантовые эффекты. Появилось множество квантовых моделей для расчетов тех же транзисторов, где преобладали волновые явления, интерференция электронов и тому подобное. А сейчас мы поняли, что электроны при комнатной или не слишком низкой температуре сталкиваются друг с другом настолько часто, что ведут себя не как отдельные квантовые частицы, а скорее как классическая заряженная жидкость, которая течет по трубам, как вода. У них есть вязкость, они, как и обычная жидкость, могут обтекать препятствия, в электронных системах может формироваться что-то вроде водоворотов. Получается, что гидродинамика, с которой мы сталкиваемся каждый день, когда открываем водопроводный кран, универсальна и электроны в полупроводниках тоже подчиняются ее законам. Произошел возврат к классической физике, но уже на новом витке понимания. Для меня лично это особенно интересно, потому что мы еще в 2012 году делали теоретическую работу по гидродинамической модели для электрона в графене. Но мы тогда расценивали ее как не очень точное упрощение, которое удобно лишь в первом приближении. А сейчас, с новыми экспериментами, в том числе проведенными в Манчестере, оказалось, что это не упрощение, а реальность, что в чистых двумерных системах электроны ведут себя подобно жидкости.

– Какое направление в микроэлектронике вы считаете наиболее перспективным?

– Мне интересно совмещение обычной электроники и оптоэлектроники, то есть постепенный уход от передачи электрических сигналов внутри микросхемы к оптической передаче. Известно, что в многоядерных вычислительных системах значительные задержки возникают именно из-за общения между ядрами процессоров, которое происходит по медным металлическим межсоединениям. Их можно заменить на более быстрые и более компактные оптические или плазмонные соединения и таким образом значительно выиграть в быстродействии.

– Можно ли ждать появления в ближайшем будущем новых технологий, которые изменят нашу повседневную жизнь?

– Если говорить о том, чем конкретно я занимаюсь, – о терагерцевых технологиях – я думаю, что в ближайшее время они обеспечат многократный рост скорости беспроводной передачи, типа Wi-Fi. Чтобы увеличить скорость передачи данных, нужно увеличить несущую частоту, и создание эффективных детекторов и генераторов терагерцевого диапазона позволит это сделать. Сейчас в этом диапазоне трудно генерировать и трудно детектировать излучение, и как раз новые материалы, с которыми мы работаем, позволят закрыть так называемую терагерцевую щель в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц. Мы приближаемся к этому диапазону «снизу», и это тут же найдет применение в беспроводных системах. Это позволит более эффективно решать вычислительные задачи дистанционно, не на процессоре своего смартфона, а передавая их на сервер и потом получая ответ. Сейчас скорость передачи и скорость обработки информации несравнимы. Процессор работает быстро, а данные передаются относительно медленно. Ограничение пропускной способности сетей в ближайшем будущем может быть снято, и самые сложные расчеты будут проводиться дистанционно в режиме реального времени.

– Что происходит в современной физике? На ваш взгляд, эта наука развивается успешно или время гениев прошло?

– Я думаю, физика развивается успешно, и сейчас происходит, можно сказать, некое возвращение к истокам и их переосмысление. Это касается в основном квантовой механики. Раньше некоторые дискуссии начала XX века выглядели надуманными, например – известный мысленный эксперимент по дифракции электрона на двух щелях и измерению его прохождения через одну из них. Сейчас становится реальным все это измерить. Квантовую физику уже можно пощупать на уровне отдельных электронов. А это уже очень близко к практическому применению.

– Кто, по-вашему, сейчас является самым авторитетным физиком в мире? Останови на улице человека, и он вспомнит Эйнштейна, а из современных физиков в лучшем случае назовет Хокинга.

– Сейчас наука стала очень специализированной. Я могу назвать авторитетных ученых в своей области, но я не думаю, что сейчас в физике есть один общий авторитет. И это нормально, что обычные люди кроме Хокинга никого из современных физиков не знают. Нужно время, чтобы люди поняли, какие открытия действительно важны, чтобы отсеялась вся шелуха. Например, в 2016 году Нобелевская премия была вручена за применение концепции топологии, абстрактной математической науки, в физике твердого тела. Эти работы были сделаны в 60-е годы XX века, но только сейчас их важность осознали. Поэтому ничего нет удивительного в том, что современных гениев никто не знает. То, что они были гениями, поймут лет через 20-40. И это нормально.

– Назовите три самых крупных, по вашему мнению, открытия в области физики в XXI веке.

– Прямое измерение гравитационных волн, открытие удивительных электронных свойств графена и родственных материалов, то есть физика высоких энергий на кончике карандаша. А третье... Много разных направлений, что-то выделить трудно.

– Можно ли назвать крупных советских или российских ученых, чей вклад в вашей области знаний до сих пор актуален, кого и сейчас цитируют в статьях и исследованиях?

– Да, конечно. Это Леонид Келдыш, который в середине XX века заложил многие основы физики твердого тела и неравновесных систем. Это Анри Рухадзе в физике плазмы, заложивший основы того, что сейчас называется модным словом плазмоника. Это такие физики как Эфрос и Шкловский, которые многое сделали в теории полупроводников и неупорядоченных систем. В работе одного из них – Эфроса – были некоторые предвестники того, о чем я говорил выше: гидродинамического движения электронов. Это советский физик Радий Гуржи, у которого тоже был цикл работ, посвященных гидродинамическому течению электронов.

На самом деле много советского и сейчас актуально. Если тебе кажется, что ты сделал что-то новое, посмотри «Журнал экспериментальной и теоретической физики» за 1960-е годы, и ты это найдешь. По крайней мере, в теории очень много чего сделано советскими физиками.

– Можете вспомнить, в чем состоял вклад в науку таких советских физиков как Федор Шапиро или Матвей Рабинович?

– Не знаю, тот ли это Шапиро, но есть ступеньки Шапиро в вольт-амперных характеристиках Джозефсоновских переходов. Вклад Рабиновича не вспомню.

– В каком состоянии сейчас находится отечественная микроэлектроника в частности и физика в целом?

– Советская школа теоретической физики жива, хотя в трудные годы и расползлась по миру. Я думаю, отечественная физика находится в хорошем состоянии, а вот про микроэлектронику этого не скажешь. С талантами у нас проблем никогда не было, но в микроэлектронике требуется высокий уровень чисто технологического мастерства и умение работать с определенным оборудованием, а этого нашим ученым не всегда хватает.

Именно на таком «разделении труда» основано взаимодействие, например, с японским Университетом Тохоку, представители которого участвуют в этой конференции. Мы делаем теорию, они делают эксперименты. Во многом эта связь держится на Викторе Ивановиче Рыжее, известном специалисте в области математического моделирования элементной базы. Он с начала 90-х работал в Университете Тохоку. Там есть хорошая экспериментальная база по графену и классическим двумерным системам, а он создал сильную теоретическую школу и привлекает к этой работе соотечественников, в том числе и меня. Мы делаем теоретические расчеты, а японцы самые стоящие идеи воплощают в жизнь.

– Верите ли вы в квантовые компьютеры?

– Да. Я верю, что квантовый компьютер можно создать.

– Следует ли серьезно воспринимать слова Илона Маска об опасности искусственного интеллекта для человечества?

– Да. Ведь чем больше задач может выполнять машина, тем больше у человека желание самому ничего не делать. Это ведет к деградации. Но в смысле того, что искусственный интеллект может напасть на людей или захватить власть, то такой угрозы, конечно, не существует.

– Есть ли у вас любимый анекдот о физике или физиках?

– Самое опасное слово в лаборатории – «Ой!» Ну и более грустный анекдот: что должен делать аспирант в лаборатории при зарплате в 10 тыс. рублей? Ничего, и даже немножечко вредить.

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 100 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.