В предыдущем номере “Поиска” мы рассказывали о присуждении премии Спинозы физику-соотечественнику Михаилу Кацнельсону, который сегодня занимает позицию профессора теоретической физики в Университете Радбоуда в Нидерландах. Как и обещали, продолжаем беседу с ученым, имя которого сегодня прочно ассоциируется с теоретическим изучением свойств графена.
— Михаил, как вы сами для себя определили, какие именно ваши исследования оценены премией Спинозы?
— В дипломе, который я получил, конкретные работы не упомянуты. Сказано в целом: за вклад в науку. Но, судя по большинству комментариев, о которых мне известно, эта награда воспринимается прежде всего как “премия по графену”. Этой тематикой я занимаюсь, кстати, не так давно — всего восемь лет.
— Тем не менее вас, я слышала, называют основоположником графеновой теории…
— Основоположник — слишком сильное определение, хотя в работах по графену я действительно участие принимал. Начнем с того, что слово “графен” было известно задолго до его открытия в 2004 году манчестерской группой ученых (нобелевские лауреаты — Андрей Гейм, Константин Новоселов). Теоретические работы в этой области велись с конца 1940-х годов, когда активно начал изу-чаться графит (один из основных материалов ядерной энергетики). Сразу после войны в США, Канаде стали публиковаться работы по графиту, и первым шагом в понимании его свойств должны были стать исследования одноатомного слоя углерода — графена. То есть задолго до нас благодаря ученым, которые занимались исследованием электронной структуры графита, было известно, что этот слой крайне необычен, в частности, что он содержит особые частицы — так называемые безмассовые дираковские фермионы. Когда в 1980-х — начале 1990-х появились фуллерены и нанотрубки, для теоретического изучения этих форм углерода потребовалось узнать что-то новое о графене, и опять произошел определенный теоретический прогресс в этой области. А когда в 2004 году манчестерская группа смогла изолировать однослойный графен, присоединить к нему контакты, пропустить через него ток, измерить его характеристики, начался новый период в изучении этого уникального материала.
В работе, результаты которой были опубликованы в 2004 году в журнале Science, я еще не участвовал, поскольку занимался тогда совершенно другими вещами. Но экспериментальный прорыв привел к возникновению целого ряда теоретических проблем. Хотя ключевые понятия (типа безмассовые дираковские фермионы) были известны, экспериментаторы не очень понимали, что с этим делать. Андрей Гейм, с которым мы были знакомы, попросил меня помочь с решением некоторых конкретных вопросов. Так я поучаствовал во второй важной работе по графену. Собственно, с нее и начался графеновый бум. То есть целый год (после публикации 2004 года в Science) научное сообщество молчало — ждало, что будет. А когда в ноябре 2005 года в одном номере Nature вышли сразу две статьи — одна наша и вторая — Филиппа Кима с соавторами из Колумбийского университета в Нью-Йорке, в которых было объявлено, что предсказанные безмассовые дираковские фермионы открыты, во всем мире произошел взрыв интереса к этой тематике, ею стали очень активно заниматься. Мой вклад в эту вторую работу по графену существенен, но я не думаю, что это что-то сверхвыдающееся, потому что ключевые понятия, как я уже говорил, были известны и прежде.
Но дальше, когда мы стали думать о том, что следует из присутствия в графене особых носителей тока, я, как мне кажется, сделал нечто важное (разумеется, не только я, в сотрудничестве с другими физиками). Самая известная моя теоретическая работа по графену посвящена так называемому клейновскому туннелированию. Это явление, как потом оказалось, ключевое для всей физики графена и всех возможных его применений. Оно было впервые рассмотрено в нашей совместной статье с Андреем Геймом и Константином Новоселовым (Nature Physics, август 2006 года). Это работа теоретическая, и я могу сказать, что мой вклад там — основной, хотя они серьезно помогли.
— Что такое клейновское туннелирование?
— Попробую объяснить. Из курса школьной физики известно устройство простейшего полупроводникового транзистора. Носителями тока там являются положительно заряженные дырки (дырочная проводимость) или отрицательно заряженные электроны (электронная проводимость). Проходя через дырочную область, электроны тем самым проникают через потенциальный барьер. Манипулируя этим барьером, прикладывая к нему электрическое напряжение, можно контролировать электричесий ток через дырочную область. Таков, грубо говоря, принцип работы примитивного транзистора.
Как выяснилось, в графене это все работать не будет, потому что благодаря особой природе носителей тока (безмассовые дираковские фермионы) любой барьер для них оказывается прозрачен, преодолим. Это крайне необычное свойство. Есть такое квантовое явление — туннельный эффект, оно лежит в основе некоторых видов радиоактивного распада, а также используется в электронике. Мы знаем, что квантовые частицы могут проникать через классически запрещенные области. Но квантовая механика в условиях больших размеров, больших энергий должна переходить в классическую. Поэтому в обычных ситуациях, когда мы делаем очень широкий и высокий барьер, вероятность прохождения сквозь него стремится к нулю. А для дираковских фермионов это совершенно не так: даже если барьер очень высок и широк, все равно частицы сквозь него проходят и их нельзя остановить. Это свойство мы и назвали клейновским туннелированием в память о работе шведского физика Оскара Клейна конца 1920-х годов (в ней открыт клейновский парадокс в квантовой механике, связанный с прохождением частиц через барьер).
— Почему это важно?
— Я бы сказал — негативно важно, потому что из клейновского туннелирования следует, что графеновый транзистор не может быть копией обычного (кремниевого), а должен основываться на каких-то других принципах. Кстати, с коллегами из манчестерской группы мы впоследствии решили эту проблему: сделали графеновый транзистор.
Но еще более важно позитивное значение клейновского туннелирования. Дело в том, что если бы его не было, графен вообще был бы никому не интересен. Если бы не клейновское туннелирование, граница между электронными и дырочными областями в графене была бы совершенно непроницаема. Тогда графен вообще не был бы проводником, а тем более проводником с высокой электронной подвижностью, что важно для различных практических приложений. То есть клейновское туннелирование объясняет, почему графен остается проводником при любых условиях, почему его электроны имеют такую высокую подвижность.
Важно, что после того, как клейновское туннелирование было предсказано теоретически, его удалось подтвердить экспериментально, что является высшей радостью для теоретика. После этого мы стали детально изучать другие следствия особой природы носителей тока в графене: открыли теоретически (а затем это было подтверждено экспериментально) наличие так называемых псевдомагнитных полей. При механических деформациях графена — растяжении, сжатии — создаются эффекты, эквивалентные тем, которых можно достичь при помощи магнитного поля. Это можно использовать для манипуляций электронной структурой и свойствами графена, чтобы создавать какие-то новые устройства. Так называемая технология, основанная на деформациях (strain engineering), — очень интересная и важная область, в основе которой тоже лежат некоторые наши работы.
— Вы говорите: мы работаем, наши работы. Имеете в виду группу в Университете Радбоуда? Как вообще организована ваша деятельность в Нидерландах?
— “Мы” — это я и манчестерская группа. Иногда я езжу к ним, иногда встречаемся на конференциях. Но основное общение, обсуждения проходят по телефону. Мы с Андреем Геймом разговариваем часами. Смешно, конечно, хвалить нобелевского лауреата и великого физика за то, что он умный, но он действительно очень умный, все схватывает на лету.
А если говорить о работе в Нидерландах, то есть спе-цифика, конечно. Вот у нас говорят: зарубеж, Запад… Запад разный. В Нидерландах о работе ученого судят по научным результатам. Я теперь спинозовский лауреат (Премия Спинозы — высшая национальная научная награда), а еще раньше стал рыцарем Ордена нидерландского льва, то есть, переводя в советскую терминологию, это лауреат Ленинской премии и Герой Социалистического Труда. При этом я же здесь исходно совершеннейший аутсайдер — неважно говорю по-голландски, не вхож ни в какие местные тусовки, то есть человек “со стороны”. Университет наш молодой и пока не такой знаменитый, как прославленные веками Утрехтский или Лейденский. И все же я получил эти высшие здешние знаки научного признания благодаря, как я понимаю, качеству научных работ. Причем важно постоянно подтверждать свой научный уровень. По аналогии с велосипедистами — если ты перестаешь крутить педали, ты падаешь. Есть почтенные люди, которые сделали что-то важное 20-30 лет назад, какие-то награды за это получили. Но если они перестали быть научно активными, если перестали заниматься исследованиями, никто не станет особо к ним прислушиваться, серьезного влияния они иметь не будут. То есть здесь довольно прагматичное отношение к ученым: оценка по научным результатам и, хочу подчеркнуть, по текущим научным результатам.
В России же все по-другому. Есть люди, которые что-то важное сделали лет 50 назад, в 1960-е годы. И до сих пор они рассматриваются как высшие авторитеты. Но я на своей шкуре почувствовал: если несколько лет наукой не позанимаешься, будет очень трудно догонять! К концу 1980-х годов я был в России звездой — самый молодой физик — доктор наук, лауреат премии Ленинского комсомола, считался очень перспективным. Но затем, в 1990-е, стал уделять науке меньше времени, пытался заниматься какой-то организационной научно-образовательной деятельностью (верил в то, что это нужно!) и очень быстро стал терять квалификацию как физик. Исходя из своего опыта я понял, что важно не то, что ты сделал 10 лет назад. Важно, чтобы ты непрерывно работал.
— Вот про работоспособность как раз хотела спросить. Где-то я прочитала, что у вас в год выходит около 50 научных работ. Как такое возможно?
— Пятьдесят — это, конечно, чересчур. Порядка тридцати, что тоже много.
— Поделитесь секретом такой научной продуктивности. Прежний запас нереализованных идей сохранился?
— Я в российский и советский период привык работать в таком режи ме: начинаешь 100 дел одновременно, потому что какие-то удастся довести до конца, а остальные не получится — из-за того, что нет людей, нет ресурсов, нет возможности встретиться с зарубежными коллегами. Сейчас я тоже пытаюсь делать 100 дел одновременно, потому что я всю жизнь так работаю. Но поскольку условия очень хорошие, эти 100 дел спокойно продолжаются, доводятся до конца. Это как расширение в пустоту. Продуктивность эту, кстати, не все понимающие люди одобряют. Вот Андрей Гейм постоянно меня дразнит, считает, что я слишком разбрасываюсь. Недавно он даже заявил, что если бы я в два раза меньше работ писал и побольше фокусировался на чем-то одном, то давно бы Нобелевскую премию получил. Что, конечно, зная Андрея, необязательно понимать буквально. Но в лесу всякие звери должны быть, в том числе и такие, как я.
Беседовала Светлана Беляева
Фото с сайта www.nwo.nl
Нет комментариев