«Ему некуда было возвращаться». В чем смысл открытия нобелевского лауреата из Петербурга Алексея Екимова и почему он работает в США

Александр Баранов

профессор международного научно-образовательного Центра физики наноструктур ИТМО

— Что такое квантовые точки и за что Мунги Бавенди, Луиcу Брюсу и Алексею Екимову присудили Нобелевскую премию по химии?

— В данном случае квантовые точки — это такие маленькие, с размером в несколько нанометров кристаллы полупроводников. Их оптические, электрические, физические и химические свойства зависят от их размера. А если они зависят от размера, значит свойствами можно управлять. Если у вас есть технологии, которыми вы можете синтезировать такие маленькие кристаллы — лишь в 10-20 раз больше, чем атом, — то вы можете делать структуры с теми свойствами, которые вам нужны. Луиc Брюс и Алексей Екимов первыми научились это делать.

«Точками» созданные ими кристаллы называют условно — из-за величины, а «квантовыми» — за то, что, при таких малых размерах начинают проявляться квантовые эффекты, которые и приводят к тому, что параметры начинают зависеть от размера.

Квантовые точки — это лишь один яркий пример. Но именно его открытие привело к пониманию того, что и другие материалы, если они будут достаточно маленькими, будут обладать интересными, ранее не известными свойствами. Сейчас уже есть довольно большое количество нанокристаллов, которые не называются квантовыми точками. Там нет этого квантового размерного эффекта, но, тем не менее, они также обладают необычными свойствами.

— А какие свойства у квантовых точек?

— Все эти точки светятся. В зависимости от размера меняется цвет излучения — от синего до красного. То есть вы можете взять один материал и менять его размеры. Когда кристалл достаточно большой, он светит красным, при уменьшении размера менее 10 нанометров он начинает светить сначала оранжевым, потом желтым, потом зеленым, потом синим цветом.

— Где применяются квантовые точки и в чем ценность технологии?

— Это нужно, например, при создании солнечных батареей, при создании эффективных полупроводниковых лазеров и источников света. Это очень важно в медицине, потому что очень часто нужны люминесцентные изображения биологических структур.

Квантовые точки используются и в знакомых нам приборах: экранах телевизоров, в полупроводниковых лазерах. Квантовые точки используется также в качестве сенсоров для определения некоторых опасных соединений в окружающей среде. Например, ртути.

Технологии синтеза квантовых точек очень непростые. Сами посудите: квантовая точка очень маленькая, она состоит, например, из 100 атомов. Если вы уберете 10 атомов, она будет светиться на другой длине волны. То есть нужно ее сконструировать с точностью до нескольких атомов.

Это очень важно. Если у вас в стране есть такие технологии высокого уровня, перед вами открываются массы возможностей по созданию и использованию квантовых точек с нужными свойствами, а если нет — не разработали, не научили студентов — как ни старайтесь, вы не получите хорошего результата.

— До открытия Брюса и Екимова таких структур с изменчивыми свойствами не существовало?

— Раньше мысль о том, что свойства могут зависеть от размера, никому не приходила в голову. При этом само явление использовалось еще в Древнем Египте: они делали стекла разных цветов, не подозревая, что внутри находятся нанокристаллы разного цвета.

Эти нанокристаллы получались из насыщенного раствора соответствующих химикатов. Всем известно, что при охлаждении такого раствора из него начинают «выпадать» кристаллы. Грубо говоря, синтез квантовых точек основан на таком же эффекте. Вы берете некий раствор, там растворяете необходимые соединения, потом добавляете туда затравку, и начинается образование и рост кристаллов. Интересно, что можно видеть, как раствор начинает светиться при облучении. Сначала синим светом, это значит, что кристаллики очень маленькие. С ростом кристаллов синий цвет приходит в зеленый, потом в желтый, потом в красный. Нужно уловить момент и вовремя извлечь необходимую фракцию кристаллов.

— В чем состояла работа каждого из исследователей: Алексея Екимова, Луиcа Брюса и Мунги Бавенди?

— Алексей Екимов работал со стеклами. В этих стеклах, которые становятся жидкими, если их очень сильно нагреть (до температуры порядка тысячи градусов), можно растворить нужные химические соединения. В данном случае это была хлористая медь. Если стекло немного остужать, там начинают появляться и расти в размерах нанокристаллы хлористой меди. Первое сообщение об этом появилось в 1980 году в статье Екимова, Онущенко и Цехомского в журнале «Физика и химия стекла».

Однако важность открытия стала очевидной, когда появилась теоретическая работа Александра и Алексея Эфросов из Физико-технического института имени Иоффе. Две работы — Екимова и Эфросов — вместе вышли в журнале «Физика и техника полупроводников» 8 июля 1982 года. И только тогда стало понятно, что открыт новый эффект. Это открытие ознаменовало появление новой технологии — нанотехнологии.

Практически одновременно в США Луиc Брюс совершил то же самое открытие, но с использованием в качестве раствора не стекла, а жидкости, в которой выращивались нанокристаллы сульфида кадмия. А потом Мунги Бавенди показал, что важно иметь возможность управлять характеристикой поверхности таких нанокристаллов, чтобы их можно было использовать на практике.

— Было ли понятно в 1982-м, насколько это важное открытие?

— Я присутствовал при обсуждении результатов первых экспериментов и дискуссии о том, есть ли вообще квантово-размерный эффект. Были дискуссии, приезжали ученые из Москвы и Беларуси, говорили, что такого эффекта нет и происходит какая-то химическая реакция, которая меняет химический состав вещества и цвет. Говорили, что всё гораздо проще, что все это давно известно.

Но спустя время стало понятно, что альтернативного объяснения нет, хотя тогда никто, конечно, не думал, что эта технология получит такое развитие.

— Что собой представлял Государственный оптический институт имени Вавилова, где Екимов работал над квантовыми точками?

— В то время, когда здесь открыли квантовые точки, ГОИ имени Вавилова был одним из лучших исследовательских центров в мире в области оптики. На тот момент большинство работ, которые выполнялись в Государственном оптическом институте, были мирового уровня. Не все уровня Нобелевской премии, но все достаточно значимые.

В нем занимались всем — от создания источников излучения, например, лазеров, до приемников излучения в широком спектральном диапазоне, а также исследованием физических процессов в газах, жидкостях и твердых телах, определяющих их оптические свойства. В ГОИ работали такие известные ученые как С.И. Вавилов, Д.С. Рождественский и А.Н. Теренин. Здесь Ю.Н. Денисюк создал свои трехмерные голограммы.

Кроме того, государство активно финансировало ГОИ, и в институте работали известные физики, которые, не будь железных занавесов, давно бы были лауреатами всевозможных премий.

В Петербурге в советское время был очень эффективный кластер в области подготовки специалистов в области оптики, проведение исследований физических основ функционирования оптических материалов и приборов на их основе и, наконец промышленного производства оптических устройств. Эти функции выполняли соответственно Ленинградский институт точной механики и оптики — сейчас это Университет ИТМО, Государственный оптический институт отвечал за проведение научных исследований и разработку опытных образцов приборов, а Ленинградское оптико-механическое объединение (ЛОМО) выпускало приборы. Хотелось бы, чтобы аналогичная система была создана в настоящее время.

— Железный занавес мешал развитию института?

— Конечно, мешал. Институт был достаточно закрытый. Публикация в иностранных журналах была не то что запрещена, но чрезвычайно затруднена. Тем не менее, советский журнал «Физика и техника полупроводников» переводился за границей. Западные коллеги через какое-то время оценили важность открытия, судя по тому, что стали наперебой приглашать за границу и Алексея, и Эфросов. К сожалению, они не вернулись.

— Почему российские физики начали уезжать?

— Я думаю, что в то время, в начале 90-х годов, из России уехало процентов 90 хороших физиков. Было очень тяжело, наука разрушалась, финансирования не было. А ученых активно приглашали в Европу и США работать в интересных областях науки и за достаточно хорошие деньги, поскольку не было сомнений в их высокой квалификации. Многие из них вернулись в Россию.

— А почему Екимов не вернулся?

— А ему было некуда возвращаться в 90-е и в нулевые годы. Его лаборатории не было. ГОИ практически распалось. Система государственного финансирования науки практически не функционировала. Требовалось новое дорогостоящее оборудование.

Часть физиков вернулись после 2010-го, когда курс рубля стабилизировался и стало возможно купить зарубежное оборудование и получить достаточные деньги для проведения исследований. Теперь это по разным причинам стало сложнее, однако научные исследования высокого уровня в области физики и химии квантовых точек и гибридных структур на их основе ведутся и в нашем Международном научно-образовательном центре физики наноструктур в Университете ИТМО, МГУ и МИФИ.