Хотите — верьте, хотите — нет, но доказано, что квантовая механика помогает найти не только объяснения субатомным явлениям, но и друзей во всем мире. Думаете, КВНовская шутка? Вовсе нет, подобное — реалии жизни многих талантливых ученых. Среди тех, кто убедительно доказывает это, — ведущий научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН Михаил ГЛАЗОВ. Направление исследований, которым он занимается, весомость полученных результатов свели его с коллегами из других отечественных и зарубежных институтов, увеличили круг знакомых, с кем ему приятно общаться не только по работе. Новым контактам способствует и изучение спиновых и кинетических явлений в полупроводниковых наносистемах — тема, поддержанная грантом Президента РФ.
Чтобы понять, о чем идет речь, нашему корреспонденту пришлось погрузиться в глубины квантового мира.
— С полупроводниками знакомы сегодня все, — начинает рассказывать просто о сложном Михаил Михайлович. — На их основе работает большинство устройств современной электроники: компьютеры, мобильные телефоны, светодиоды. — Несколько десятилетий назад ученые, используя полупроводники, научились синтезировать такие типы микроструктур, как квантовые ямы, проволоки (или нити), точки. Геометрические размеры этих полупроводниковых наносистем — миллиардные доли метра, благодаря чему поведение электронов в них подчиняется законам квантовой механики. Это очень интересно с точки зрения теоретической физики, так как позволяет изучать и моделировать фундаментальные квантовые явления в полупроводниковых системах. Но и практическая польза налицо: полупроводниковые наносистемы уже находят применения, например, в транзисторах с высокой подвижностью носителей заряда, резонансных туннельных диодах, лазерных диодах. Это очень важно для развития медицины, устройств связи, компьютерных технологий.
— А что представляют собой спиновые и кинетические явления и зачем нужно узнавать, как они “ведут” себя в полупроводниковых наносистемах?
— Прежде всего, надо уяснить, что это сфера физической кинетики, которая изучает процессы, протекающие в неравновесных системах многих частиц. К одним из наиболее ярких примеров проявления кинетических явлений относятся явления переноса: электропроводность, теплопроводность, вязкость. Они присущи ансамблям частиц, например электронному газу в полупроводниковой квантовой яме. С другой стороны, электроны обладают кроме пространственных степеней свободы (это их координаты) внутренней квантовой степенью свободы — спином. Проще говоря, каждый электрон можно представить себе как “волчок” с вполне определенным направлением и скоростью вращения.
Сочетание спиновых и кинетических явлений можно назвать “сочетанием несочетаемого”, потому это и привлекает большое внимание исследователей. Как можно связать поведение квантованной степени свободы отдельного электрона с явлениями в ансамбле из миллиардов частиц? Можно ли управлять спином электрона? Как этот спин увидеть? Найдут ли спиновые явления практические применения? Вот вопросы, которые интересуют специалистов, работающих в этой области.
Оказалось, что полупроводники и структуры на их основе — одни из самых предпочтительных систем для изучения спиновых явлений. Это выяснилось еще в 1960-1970-х годах, когда была открыта оптическая ориентация спинов в полупроводниках: при возбуждении поляризованным светом спины электронов и дырок (этих подвижных носителей заряда) выстраиваются во вполне определенном направлении. Сорок лет назад экспериментальные исследования спиновых эффектов в полупроводниках велись, в основном, двумя группами, одна из которых располагалась здесь, в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе в Петербурге (тогда Ленинграде), другая — во Франции. Заново интерес к явлениям спиновой кинетики возродился на заре XXI века, как раз в связи с развитием полупроводниковых наносистем. В них благодаря квантованию движения электронов взаимодействие со светом резко усиливается — становится резонансным. Кроме того, низкая (по сравнению с объемными материалами) пространственная симметрия наносистем приводит к появлению новых спин-зависимых эффектов, которые отсутствуют в объемных полупроводниках. Например, при протекании электрического тока в квантовой яме спины электронов выстраиваются — ориентируются в определенном направлении, связанном с направлением электрического тока.
— Какие задачи вы перед собой поставили?
— Одна из наиболее интересных проблем, над которой работаем мы с коллегами, — развитие теории спиновых флуктуаций (спинового шума) в полупроводниковых наносистемах. Что это такое и зачем нужно? Представим себе ансамбль квантовых точек, в каждой из которых “сидит” электрон. Проекция спина каждого электрона на заданную ось может быть +1/2 или -1/2. Внешнего магнитного поля или поляризованного света нет. Поэтому, в среднем, нет и спина — количество электронов со спином “+1/2” и “-1/2” одинаково. Но это лишь в среднем, а есть неизбежные флуктуации. Величина такой флуктуации пропорциональна квадратному корню из числа электронов.
Оказалось, спиновые флуктуации можно детектировать. Метод, позволяющий делать это, в начале 1980-х годов предложили ленинградские ученые для использования в атомной физике, а примерно 10 лет назад он нашел применение в исследовании полупроводников. Сейчас начала формироваться новая область знания — спектроскопия спиновых шумов. В мире есть несколько лабораторий, занимающихся детектированием и изучением спиновых флуктуаций. Если прислушаться (точнее, присмотреться — спиновые флуктуации детектируются оптически) к спинам, то можно узнать многое об особенностях их динамики: скоростях переворотов, частотах вращения во внешнем магнитном поле. Есть возможность получать эти сведения, не возмущая спины внешним воздействием, то есть удается “увидеть”, как они ведут себя в естественных условиях.
Развитие экспериментальных методов требует, разумеется, и разработки теории спиновых флуктуаций. Несколько лет назад мы показали, что в ансамблях квантовых точек спектр частот спинового шума электронов определяется в значительной мере взаимодействием спинов электронов со спинами ядер основной решетки. Получается, что если прислушаться к спинам электронов, то можно узнать и о поведении спинов ядер. Сейчас это направление активно развивается. А мы инициировали важные эксперименты. Часть полученных результатов отвечает нашим ожиданиям, а часть требует дальнейшего развития теории.
— Что еще намерены узнать?
— Изучение спиновых шумов проводится на границе между квантовой механикой и статистической физикой. Важны знания об индивидуальных, квантовых свойствах электронов. Но, с другой стороны, флуктуации присущи, как правило, ансамблям частиц. Поэтому перед нами стоят задачи выяснить, как устроены флуктуации спина одиночного электрона и как они проявятся в ходе эксперимента. И еще: насколько метод спектроскопии спиновых шумов “невозмущающий”, ведь флуктуации спина измеряются при пропускании через образец света, пусть даже и малой интенсивности? Эти исследования очень интересны с фундаментальной точки зрения, а также в связи с возможностью развития экспериментальных методик исследования спиновых явлений в полупроводниках и полупроводниковых наносистемах. А вот о возможных практических приложениях говорить, мне кажется, пока рано.
— Тема, на мой взгляд, очень сложная. Как может задача такой сложности быть интересной?
— Отвечу не совсем на этот вопрос. Важнее, почему для меня исследуемая область представляет такой интерес. Есть очевидные соображения: наши исследования позволяют заглянуть в неизведанное, узнать что-то, что ни мы, ни кто-либо другой раньше не знал. Есть и факторы “спортивного” характера: в нашей области довольно большая конкуренция, поэтому иногда испытываешь своеобразный азарт, стараясь сделать что-то лучше и быстрее, чем коллеги из других научных центров. А есть еще одно обстоятельство, которое играет, по крайней мере для меня, немаловажную роль. Занимаясь наукой, я много общаюсь с коллегами, как у нас в институте, так и по всей России и миру. Встречаясь с людьми из разных стран, я учусь у них, узнаю об их культуре, обществе, истории, традициях. И это общение, зачастую переходящее из научного в человеческое, дружеское, для меня особенно ценно. Благодаря этому я лучше узнаю людей, живущих в разных уголках мира, мне удается понять, почему они ведут себя так или иначе. Эта культурная функция науки, мне представляется, крайне важной.
На рисунке: Схематическое изображение ансамбля квантовых точек (синие эллипсы), содержащих одиночные электроны. Направления спинов электронов показаны красными стрелками.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Иллюстрации предоставил М.Глазов
Нет комментариев