С гигантским эффектом. Дальневосточники по-новому взглянули на известную теорию.

— Особенности подхода, который мы используем для формирования наноструктур, можно свести к нескольким базовым принципам, — начинает рассказ А.Саранин. — Во-первых, этот процесс проводится в сверхвысоком вакууме 10 в минус десятой степени Тор. Это в 10 триллионов раз меньше атмо­сферного давления. Во-вторых, наша “строительная площадка” — это атомарно-чистые монокристаллические поверхности полупроводников (чаще кремния, реже германия). Концентрация дефектов или атомов примеси на таких поверхностях, как правило, не превышает долей процента. 

В-третьих, “строительный материал” для наноструктур — атомы адсорбатов (чаще всего металлов) в количествах порядка одного моноатомного слоя (часто это доли монослоя, реже несколько монослоев). Атомы адсорбатов осаждаются на поверхность из атомных потоков, источниками которых служат нагреваемые тигли с нужным материалом. Для формирования наноструктур мы обычно используем механизмы самоорганизации (атомной самосборки). 

Основной метод контроля атомного строения исходной поверхности и формирующихся на ней наноструктур — сканирующая туннельная микроскопия (как правило, с атомным разрешением). Для анализа электронных свойств наноструктур мы используем фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением. Экспериментальные исследования дополняются теоретическими расчетами на основе теории функционала плотности. Если просуммировать, то мы имеем дело с наноструктурами атомного масштаба, формирование которых происходит в особо чистых условиях при контроле на атомном уровне.

— Современная физика поверхности ведет свой отсчет где-то с начала 1960-х, когда научились получать сверхвысокий вакуум и чистые поверхности, а также появились методы их исследования. Уже в самых первых работах объектом изучения стали атомные слои металлов на кремнии, так называемые поверхностные реконструкции или поверхностные фазы. С тех пор научное сообщество достигло большого прогресса, накопило колоссальный объем информации о таких системах. 

В 2000 году по заказу издательства Springer мы подготовили справочник, в котором собрали данные о более чем 300 поверхностных фазах на кремнии и около 100 на германии. Благодаря большой активности ученых в этой области стало складываться впечатление, что наиболее интересные системы уже изучены и наиболее значимые результаты уже получены.

— Самые последние годы неожиданно отметились яркими открытиями, которые дали этой области новый мощный импульс развития. Это обнаружение гигантского эффекта Рашбы и сверхпроводимости в пленках атомной толщины. Нам удалось отличиться в каждой из этих областей. Напомню, что этот эффект открыт советским физиком-теоретиком Эммануилом Иосифовичем Рашбой еще в 1960-х и заключается в спиновом расщеплении электронных состояний в системах с двумерным электронным газом из-за нарушения пространственной инверсионной симметрии на поверхности или границе раздела. Он был давно подтвержден экспериментально в гетероструктурах, где, правда, имел небольшую величину. 

И только несколько лет назад выяснилось, что в моноатомных пленках тяжелых металлов (таллия и висмута) на кремнии этот эффект может достигать гигантских значений, что позволило говорить о них как о перспективных материалах для немагнитной спинтроники. Однако эти системы имеют большой недостаток: они не обладают металлическими свойствами. А нужны металлические системы, которые могли бы хорошо проводить спин-поляризованный ток. 

Мы предложили стратегию, которая позволяет решить эту проблему благодаря созданию на поверхности двумерных металлических соединений, содержащих тяжелый металл. Используя эту стратегию, синтезировали ряд таких соединений (Tl-Pb, Bi-Na, Au-Al, Tl-Bi, Tl-Sn), которые демонстрируют гигантский эффект Рашбы в сочетании с металлическими свойствами. 

Что касается сверхпроводимости, то традиционно считается, что это свойство объемных материалов в тонких пленках ухудшается с уменьшением толщины, а в пленках толщиной в один-два атомных слоя она должна вообще отсутствовать. Поэтому неожиданным было недавнее обнаружение сверхпроводящих свойств у пленок индия и свинца моноатомной толщины. Это открытие стимулировало исследования, которые выявили необычный механизм сверхпроводимости в этих низкоразмерных системах. 

Наш вклад в данную область — это демонстрация того, что двумерное соединение Tl-Pb сочетает в себе и гигантский эффект Рашбы и сверхпроводящие свойства, что позволяет говорить о его перспективности для сверхпроводящей спинтроники. Этот результат мы получили в совместной работе с коллегами из Токийского университета.

— Довольно большое. Уверен, что современная наука хорошего уровня без международного сотрудничества едва ли возможна. Важную роль для нас сыграл российско-японский семинар по физике поверхности полупроводников, который мы проводили на базе нашего отдела раз в два года с 1993 по 2012 год. Он позволил нам наладить контакты с ведущими учеными Японии. В результате многие наши сотрудники успели поработать в лабораториях Японии. А Димитрий Грузнев и Сергей Азатьян сначала выполнили свои диссертационные работы и получили степени PhD в японских университетах и только потом защитили кандидатские диссертации в России. В прошлом году на стажировку к нам приехали трое японских аспирантов. 

Что касается семинара, то в 2014 году он перерос в Тихоокеанский симпозиум, так как к нему присоединились еще ученые Китая, Кореи и Тайваня. Кстати, с тайваньскими коллегами-теоретиками у нас особенно продуктивный контакт, результатом стали многочисленные совместные работы очень хорошего уровня.

— Конечно, нет. Интересуемся и другими нанообъектами. Например, у нас есть интересный цикл работ, посвященный так называемым магическим нанокластерам, то есть кластерам, формирующимся в результате самоорганизации и имеющим идентичные размер и форму. Причем масштаб таких магических кластеров может варьироваться в широких пределах. Например, каждый магический атомный кластер, образующийся при взаимодействии алюминия с кремнием, содержит шесть атомов алюминия и три атома кремния, а каждый магический молекулярный кластер, образованный сферическими молекулами — фуллеренами С60, содержит 37 фуллеренов, то есть ровно 2220 атомов углерода. 

Кстати, поведению фуллеренов на поверхностях различных реконструкций мы посвятили большое количество работ. Другая тема — это гетероструктуры на основе толстых пленок различных материалов, в частности очень популярных сейчас топологических изоляторов. Есть работы, посвященные силицидным нанокластерам, встроенным в кремниевую матрицу. Работы ведутся по самым разным направлениям.

— Научная школа функционирует на базе Отдела физики поверхности в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН во Владивостоке. Отдел имеет солидную историю. Его основал в 1974 году Филипп Георгиевич Старос, легендарная личность. Его настоящее имя — Alfred Sarant, а сам он бывший американский инженер с коммунистическими взглядами, который, спасаясь от преследований в годы холодной войны, бежал в Советский Союз, где, в частности, участвовал в создании центра микроэлектроники в Зеленограде и был удостоен Государственной премии. 

На излете своей яркой карьеры американец оказался во Владивостоке, где собирался создавать искусственный интеллект на основе объемных интегральных схем. Старос руководил организованным им отделом вплоть до своей смерти в 1979 году, после чего это подразделение 25 лет возглавлял Виктор Григорьевич Лифшиц. За это время отдел развился количественно и качественно, хорошо оснастился в плане оборудования, конкретизировалась тематика его работ. Однако в 2005 году Лифшиц, на тот момент уже член-корреспондент РАН, скоропостижно скончался. С того времени отделом руковожу я. Большую помощь мне оказывают заведующие лабораториями отдела — Николай Геннадиевич Галкин, Владимир Викторович Коробцов и особенно Андрей Вадимович Зотов, с которым меня связывает еще и давняя дружба с тех времен, когда мы учились в МФТИ. Потом мы вместе приехали во Владивосток, вместе работали. В большинстве своих работ мы соавторы. И я рад, что в 2016 году Зотова избрали в члены-корреспонденты РАН.

— Основным поставщиком молодежи для нас служит Дальневосточный федеральный университет. Студенты появляются у нас в отделе начиная со второго курса. Слушают спецкурсы, а мы в это время присматриваемся к ним. Лучших приглашаем к себе в аспирантуру, затем они защищают кандидатские, пополняя молодежный состав научной школы. Этот “конвейер” эффективно действует на протяжении многих лет. Более того, у нас уже есть сотрудники, которые в рамках этой же схемы прошли путь от студента до доктора наук. Это три Дмитрия (мы шутим: 3D) — Грузнев, Цуканов и Горошко. В будущее мы смотрим с оптимизмом!