Творец гетероструктур
Не стало лауреата Нобелевской премии по физике Жореса Алфёрова
В пятницу, 1 марта 2019 года, умер советский и российский физик Жорес Иванович Алфёров. Больше всего он был известен своими разработками в области полупроводниковых гетероструктур — сейчас эти структуры используются в лазерах, светодиодах, высокочастотных транзисторах и других приборах, без которых невозможно представить современную электронику. За исследования гетероструктур в 2000 году Алфёров получил Нобелевскую премию по физике. Он был последним нобелевским лауреатом из ныне живущих в России. В этом материале мы расскажем про открытия Жореса Алфёрова, их применение в науке и повседневной жизни.
Дешевый лазер при комнатной температуре
Один из самых известных примеров гетероструктур, которые изучал Алфёров, — это полупроводниковый лазер, повсеместно применяемый в современной жизни. Чтобы понять, почему эти приборы так важны, проследим за историей их создания и разберемся в принципах их работы.
В основном, природное излучение некогерентно, то есть состоит из смеси волн с разной фазой и частотой. В частности, такую смесь представляет собой свет Солнца и других звезд, излучение лампы накаливания и горящего дерева. К сожалению, работать с таким светом неудобно.
Например, чтобы записать голограмму, нужно тонко подстроить фазы волн, «выжигающих» картинку; чтобы сигнал не «размазывался» при передаче по оптоволокну, его параметры также нужно точно подстраивать. Для природного излучения это практически невозможно. Поэтому физики старались изготовить источник когерентного излучения — лазер.
Основы теории когерентных источников света заложил еще Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1917 году статью «Квантовая теория излучения». В этой статье физик показал, что под действием вынуждающих фотонов молекула испускает когерентное излучение, фаза и направление которого согласовано с фазой и направлением падающих фотонов. Правда, обычно этот эффект пренебрежимо мал по сравнению со спонтанным излучением, в ходе которого возбужденные молекулы самопроизвольно испускают фотоны со случайными параметрами. Именно по этой причине природный свет некогерентен. Чтобы построить лазер, нужно было каким-то образом усилить эффект вынужденной генерации.
К середине 1950-х годов физикам удалось решить эту задачу и построить первый квантовый генератор — аммиачный мазер, который генерировал когерентное микроволновое излучение. За это открытие Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.
Через несколько лет Теодор Мейнман добился того же эффекта для видимого света, изготовив первый в истории лазер. Этот лазер был основан на кристалле искусственного рубина и работал в импульсном режиме, то есть генерировал излучение только в течение небольшого промежутка времени. Еще через несколько месяцев были разработаны непрерывные газовые лазеры. Однако все эти лазеры были довольно дорогими и громоздкими, а потому перенести их из лаборатории в повседневную жизнь было сложно.
Преодолеть это препятствие помог полупроводниковый лазер, в котором размер области генерации не превышает нескольких микрометров. В основе полупроводникового лазера лежит p-n переход, то есть контакт двух полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости.
Напомним, что в n-проводниках заряд переносят отрицательно заряженные квазичастицы-электроны, а в p-проводниках — положительно заряженные квазичастицы-дырки, которые остались после «выдергивания» электронов из электронного «моря». Подробнее про эти квазичастицы можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: Зоопарк квазичастиц». Когда дырка и электрон сталкиваются, они рекомбинируют и превращаются в фотон. Более того, когда в окрестности такой пары пролетает фотон с нужной энергией, он вызывает вынужденную рекомбинацию, в результате которой рождаются фотон, когерентный исходному фотону.
В обычных полупроводниках такой процесс маловероятен, однако в p-n переходе под напряжением дырки из p-проводника «перетекают» в n-проводник, электроны из n-проводника проникают в p-проводник, и вероятность рекомбинации резко возрастает. Следовательно, p-n переход может генерировать когерентное излучение.
Тем не менее, первые лазеры на основе p-n перехода, построенные в 1962 году, были далеки от совершенства. Во-первых, они работали только в импульсном режиме, поскольку быстро перегревались. Во-вторых, их удавалось запустить только при температуре кипения жидкого азота (−194 градуса Цельсия). В-третьих, пороговый ток таких лазеров был слишком высоким, а потому они больше походили на сварочные аппараты, чем на источники света. Поэтому полупроводниковые лазеры оставались лабораторными «игрушками».
Чтобы избавиться от этих недостатков, в 1963 году Жорес Алфёров и Герберт Крёмер независимо предложили заменить p-n переход полупроводниковыми гетероструктурами. Грубо говоря, такие структуры выглядят как «пирог» (или бутерброд) из слоев с разным типом проводимости и разной шириной запрещенной зоны. Такая форма позволяет ограничить активную область, в которой рекомбинируют электроны и дырки, уменьшить потери энергии и существенно усилить когерентное излучение.
Впрочем, чтобы добиться резонанса, параметры полупроводников, составляющих «пирог», должны быть точно подобраны. По этой причине полупроводниковые лазеры были созданы далеко не сразу. В частности, группа Алфёрова искала подходящую гетероструктуру около пяти лет, пока не обнаружила ее случайно в соседней лаборатории, принадлежавшей Нине Горюновой. Впервые лазерный эффект с этой гетероструктурой физики зарегистрировали в сентябре 1967 года. Еще через год построили первый полупроводниковый лазер, который непрерывно генерировал излучение при комнатной температуре.
В настоящее время большинство производимых лазеров относится именно к полупроводниковым лазерам на основе гетероструктур (DH lasers). Причина такой популярности проста: полупроводниковые лазеры гораздо дешевле и меньше, чем другие типы квантовых излучателей (например, газовые лазеры).
Во-первых, такие лазеры передают информацию по оптоволокну, без которого невозможно представить интернет и мобильную связь. Так, когда вы говорите по телефону, сигнал летит по воздуху только до ближайшей сотовой вышки, после чего «ныряет» в оптоволокно (подробнее об устройстве сотовой сети можно прочитать в этой статье). Во-вторых, полупроводниковые лазеры считывают и записывают информацию на CD, DVD и Blu-ray диски. В-третьих, DH-лазеры используются в лазерных принтерах, печатающих книги, журналы и газеты. Наконец, широко известные лазерные указки также основаны на этом типе лазеров.
Младший брат лазера
Побочным продуктом разработки лазеров стали полупроводниковые светодиоды, которые также испускают свет в заданной области спектра, однако не обладают когерентностью квантового генератора. Технически, светодиод — это тот же лазер, только в нем нет обратной связи, необходимой для отбора когерентных фотонов. Поэтому светодиод изготовить даже проще. В настоящее время практически все производимые светодиоды основаны на гетероструктурах.
Как и полупроводниковые лазеры, светодиоды широко используются в науке и повседневной жизни. В отличие от «традиционных» источников света, таких как лампы накаливания или люминесцентные лампы, светодиоды позволяют легко управлять мощностью, направлением и спектральным составом излучения. По сравнению с «традиционными» источниками, светодиоды потребляют гораздо меньше энергии и гораздо дольше живут (примерно в десять–двадцать раз). Кроме того, они не чувствительны к низким температурам и вибрациям, не содержат ядовитых веществ и очень дешевы.
В настоящее время светодиоды используют практически везде, где требуется искусственное освещение, — в домашних лампах и уличных фонарях, в светофорах и фарах автомобилей, в уличных экранах и бегущих строках. В частности, без светодиодов было бы невозможно изготовить экраны современных компьютеров и смартфонов.
Сверхбыстрый транзистор для мобильной связи
Другой важный пример использования гетероструктур — это высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы. Главное отличие таких приборов от «обычных» полупроводниковых транзисторов, — это уменьшенная ширина запрещенной зоны базы. Подробно прочитать, как устроен транзистор (в частности, где находится база) можно в разборе «для чайников» [1, 2]. Благодаря такой модификации электронный ток, протекающий через транзистор, существенно возрастает, а дырочный ток остается неизменным. В результате мощность транзистора растет. В то же время, чтобы усиление было контролируемым, нужно уменьшить сопротивление базы (например, сделать ее тоньше). Это, в свою очередь, повышает частоту переключения транзистора и снижает уровень шума. В настоящее время максимальная частота гетероструктурного транзистора превышает 700 гигагерц, что примерно в сто раз больше частоты обычных транзисторов. Без гетероструктур добиться всех этих эффектов было бы невозможно.
Григорий Соколовский, главный научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе, рассказывает, что в начале научной карьеры (1953–1960 годы) Жорес Алфёров также занимался полупроводниковыми транзисторами — а именно, разрабатывал первые в СССР транзисторы под руководством Владимира Тучкевича. Эта работа должна была сократить разрыв между СССР и США, наметившийся в электронике после изобретения биполярного транзистора Уильямом Шокли. Алфёров успешно справился с этой задачей, а затем переключился на изучение гетероструктур и одним из первых построил гетероструктурный транзистор. Впрочем, основной теоретический вклад в разработку этого прибора внес все-таки американец Герберт Крёмер, получивший Нобелевскую премию вместе с Алфёровым. Первую статью, предлагающую использовать гетероструктуры для увеличения мощности и частоты транзистора, он опубликовал еще в 1957 году.
Высокая мощность и частота, дополненные низким уровнем шума, делают гетероструктурные транзисторы идеальными передатчиками для мобильной связи. С одной стороны, высокая частота позволяет быстро передавать большие потоки информации. С другой, благодаря высокой мощности передатчик генерирует сигнал, который можно отправить на большое расстояние. Таким образом, без гетероструктурных транзисторов в нашей жизни не было бы спутникового телевидения, мобильной связи, мобильного интернета, Wi-Fi и Bluetooth — технологий, без которых представить современную жизнь практически невозможно.
Эффективные солнечные батареи
Наконец, еще одна область, в которой нашли применение гетероструктуры, — это солнечная энергетика (точнее, фотовольтаика). Грубо говоря, солнечная батарея — это светодиод, вывернутый наизнанку: в светодиоде электроны рекомбинируют с дырками и рождают фотоны, а в батарее, наоборот, фотоны превращаются в электроны и дырки, которые под действием электрического напряжения разбегаются в противоположные стороны и генерируют электрический ток.
В принципе, для превращения солнечного света в электричество достаточно одного-единственного p-n перехода, в котором будут рождаться электроны и дырки. К сожалению, эта схема имеет серьезный недостаток: переход между каждыми конкретными типами полупроводников «заточен» только под узкий диапазон энергий, тогда как энергия солнечного излучения размазана по широкому диапазону частот (примерно от 250 до 2000 нанометров). Конечно, изменяя ширину запрещенной зоны p- и n-проводников, можно передвигать этот диапазон, однако расширить его не получится.
Гетероструктуры позволяют решить эту проблему, объединяя в один «пирог» сразу несколько p-n переходов. Первый слой, расположенный ближе всего к поверхности, поглощает синий свет и преобразует его в электрический ток, а остальные волны пропускает дальше. Второй слой «вытягивает» из света энергию зеленых волн, третий слой — красных. В результате суммарный ток и суммарное напряжение, снятое с «пирога», а вместе с ними и коэффициент полезного действия, получается в несколько раз больше, чем в обычной батарее.
Жорес Алфёров предложил идею таких «слоеных» батарей еще в 1971 году — одним из первых. В настоящее время батареи на основе гетероструктур могут превращать в электроэнергию до 46 процентов энергии солнечного света.
К сожалению, «слоеные» солнечные батареи имеют серьезный недостаток: они дорогие. Поэтому массово их не производят. Зато на космические аппараты, для которых важен каждый лишний процент КПД, устанавливают именно гетероструктурные батареи. Кроме того, по словам Григория Соколовского, в последнее время в наземной солнечной энергетике тоже стараются использовать дешевые гетеропереходы, основанные на соединениях одного и того же полупроводника — кремния. Это позволило поднять эффективность батарей до 27 процентов, практически не повышая их стоимости.
Дмитрий Трунин
Какую физику несут на себе маркерные доски из игры Control
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Есть такая вещь — профдеформация. В моем случае она приняла довольно необычную форму. В марте у меня вышел материал, в котором я разобрал содержание маркерных досок в интерьерах института Black Mesa из ремейка первой части Half-Life. Досок в игре больше тридцати, на их исследование у меня ушло довольно много времени и сил. С тех пор я замечаю доски везде — и в мире реальном, и в мире виртуальном — и начинаю их внимательно изучать. Например, когда у меня случилась командировка в новосибирский Институт ядерной физики имени Будкера, я пристально рассматривал местные доски, вместо того чтобы слушать о том, как работает тамошний электрон-позитронный коллайдер. А вернувшись домой, я поставил Control. Этот шутер от третьего лица, разработанный финской студией Remedy Entertainment, рассказывает историю простой (но на самом деле не совсем) девушки Джесси, которая внезапно становится директором Федерального Бюро Контроля — секретной правительственной организации, которая занимается поиском, изучением и контролем за сверхъестественными предметами и явлениями. Новая должность открывает для нее связи с неким потусторонним управляющим органом под названием Совет, о котором нам мало что известно. Его символизирует черная перевернутая пирамида, с которой Джесси регулярно будет взаимодействовать. Игра вдохновлена коллективным творчеством людей из проекта SCP Foundation, который возник в темных глубинах имиджбордов лет 15 назад (а то и больше) и продолжает пополняться новыми записями по сей день. В «Контроле» значительную часть персонала Бюро составляют ученые. А где ученые, там должны быть лаборатории, а внутри, естественно, должны быть доски, на которых что-то написано. Лаборатории и доски по мере прохождения игры ты действительно встречаешь здесь и там. Правда, есть несколько странностей. Львиная доля непустых досок посвящена физике или математике. Причем физика там встречается весьма современная — это мы с вами еще увидим. Вместе с тем, в локациях почти невозможно найти хоть какой-нибудь физический прибор, повсюду только камеры да антенны. Более того, игровая вселенная дает технологиям в Бюро ограничение сверху: приборы и гаджеты не должны быть совершеннее, чем оборудование, бывшее в ходу в 1970-е годы. Это якобы связано с особенностями Старейшего дома — здания с паранормальными свойствами, в котором расположено Бюро. Странным также кажется отсутствие биологических досок, хотя этому аспекту происходящего уделяется в игре довольно много времени. Все маркерные доски в Control можно разбить на три группы: пустые доски, доски с ненаучным — сюжетным — содержанием, доски с физикой/математикой. Вторая категория интересна тем, что каждая такая доска есть только в одном экземпляре и все они содержательно связаны с местами, в которых установлены. Их чтение позволяет глубже проникнуть в сюжет и законы игрового мира. Научные же доски, напротив, повторяются из локации в локацию, а также не имеют отношения к тому, в каком месте стоят. По сути, как и пустые доски, это просто элементы интерьера. Их всего десять. Как я искал доски Поначалу я фиксировал местоположение в игре каждой уникальной доски с научным содержанием, но в конечном итоге просто обратился к ресурсам игры, распаковав их с помощью вот этой программы. Именно эти текстуры, конвертированные в графический формат, представлены ниже. Помимо этого, я пытался взять комментарий у людей, имевших отношение к созданию игры. Remedy мне не ответили, зато откликнулся один из сотрудников российской студии Blacksteinn, который участвовал в разработке в статусе Texture Artist. Увы, именно досками он не занимался и помочь мне не смог. В конечном итоге цепочка оборвалась на украинской студии Room 8, которые также работали над игрой. На момент написания этого текста ответ от них я так и не получил. Поэтому высококачественных исходников досок, в отличие от прошлого раза, добыть не удалось. Но качество изображений хотелось все же улучшить. Поскольку я профан в этом деле, я напрямую спросил у ChatGPT, на каком сайте можно бесплатно сделать апскейл изображений низкого разрешения с рукописным текстом. Бот посоветовал мне ресурс, который использует программный пакет с замечательным названием waifu2x. «Он был изначально разработан для увеличения разрешения аниме-изображений, но также хорошо работает с рукописными текстами», — написал мне бот. Не соврал. Чтобы увидеть улучшенное изображение, нажмите на лупу во время просмотра картинок. Доски Эта доска состоит из двух частей. В верхней части приведены параметры магнитооптического и зеемановского замедлителей, используемых в ловушках для атомов рубидия. В этом легко убедиться, если открыть диссертацию французского физика Лукаса Бегина, откуда они были переписаны от руки (см страницу 45). Лукасу я написал письмо, но ответа так и не получил. Отличаются лишь подписи к параметрам: «MOT parameters» и «Zeeman parameters» заменены на «control parameters» и «triangle parameters». Эти термины не имеют отношения к атомным ловушкам, их скорее можно встретить в работах по численным вычислениям. Впрочем, здесь едва ли имеет смысл копать так глубоко: слово control — одно из самых главных в словаре игры, а triangle может быть отсылкой к черной перевернутой пирамиде. В нижней части изображен рисунок к хрестоматийной задаче механики о скольжении бруска по наклонной плоскости. Его можно встретить практически в любом пособии или учебнике. Самая первая схема иллюстрирует перемещение материальной точки в декартовой системе координат из точки e в точку a по прямой; приведены формулы для векторов скорости и ускорения в дифференциальном виде. Это все простая механика, а точнее — кинематика. Все остальное не имеет очевидного или однозначного отношения к физике. Кое-что, однако, можно сказать про список имен. Это сотрудники Remedy, которые делали дизайн уровней. Я списался с, как мне показалось, руководителем этой команды, Масао Огино, но он ответил, что текстурами занимались другие люди — кто именно, он не вспомнил. Для этой доски авторы перерисовали картинку из вот этой статьи в Communications Physics. Эта статья также посвящена охлаждению атомов рубидия, однако она напрямую не связана с диссертацией выше, а их авторы не работали вместе. В этом исследовании физики изучали наведенный светом магнетизм в атомах, запертых в узлах оптической решетки. Авторы статьи ответили, что не знали об использовании их работы в игре, но в целом были обрадованы этим фактом — особенно те, что помоложе, — а руководитель группы даже похвастался моей находкой у себя в твиттере. Слева приведена школьная таблица производных от обратных тригонометрических функций. В англоязычных источниках их часто обозначают через минус первую степень. Система выражений справа имеет более специфичную природу. Это формула для функции оптических потерь звездной короны в зависимости от ее температуры, взятая, по-видимому, отсюда. Зависимость выглядит довольно причудливой; на соответствующий график можно посмотреть здесь. Картинка снизу выглядит как иллюстрация к простой кинематической задаче. Ее источник мне найти не удалось. Еще один образец научной дизайн-эклектики. Слева мы видим рисунок, который встречается в уже знакомой нам диссертации Лукаса Бегина, — это схема фиксации атомов в луче света. Справа — выражения и график, описывающие пульсацию в выпрямителе напряжения. Целиком этот кусок можно найти на сайте с вопросами для инженеров-электриков, а также в отрывке какого-то учебника (какого конкретно — мне выяснить не удалось). Снизу — тоже электрические цепи, но уже более простого уровня. Удивительно, где я нашел источник этого изображения — это кадр из YouTube-видео (на 65 секунде), на котором разбирается школьная задача о последовательном и параллельном соединении конденсаторов. Я не сразу нашел источник этого изображения, но все-таки выяснил, что изначально оно было создано разработчиками или дизайнерами Ziteboard — кроссплатформенной интернет-доски. С помощью математических выкладок они демонстрировали работоспособность их детища. Человек с ником Skalkaz выложил некоторые из них в Викимедию, откуда, по видимому, их взяли работавшие над Control люди (ниже будет еще одна такая доска). Этим человеком оказался один из членов команды Ziteboard (вероятно, даже руководитель, кстати, физик по образованию). Он очень удивился использованию своих артов и был польщен. Skalkaz обещал, что найдет время, чтобы пройти игру и найти в ней свои доски. Формулы сверху слева описывают окислительно-восстановительный процесс, в котором медь растворяется, а серебро, наоборот, выпадает в осадок. Если захочется подробнее почитать об этом, источник вот в этом онлайн-справочнике. Ниже — школьные формулы для физики волн с чьей-то презентации, есть тут. Справа виднеются формулы для верхней (UCL) и нижней (LCL) контрольных границ. Эти величины вводят в теории управления различными процессами. Там они нужны, чтобы контролировать параметры этих самых процессов (смотрите, опять control). В таком виде формулы встречаются во множестве мест, например здесь. Последний рисунок — иллюстрация к дифракции на щели. Его можно найти в учебном пособии Бостонского университета. Слева приведена таблица некоторых ядерных превращений и количество энергии, которая при этом образуется. Целиком таблицу можно увидеть в справочнике университета штата Джорджия (нужен VPN). В правой части иллюстрация к явлению конструктивной интерференции волн. В самом начале нас встречает выражение для гамильтониана множества взаимодействующих частиц в координатном представлении, записанное в общей форме. В таком виде его можно встретить во множестве учебников по квантовой механике, например, здесь. Ниже мы видим стационарное уравнение Шрёдингера для массивной частицы в некотором потенциале. Ошибка в фамилии великого физика (Shrodinger вместо Schrödinger) существенно сужает поиск источника: формула взята либо отсюда, либо из этого видео. Наконец, справа размещено очень громоздкое дифференциальное уравнение второго порядка. Его источник найти не удалось, но, судя по обозначениям, это часть какой-то задачи из релятивистской квантовой механики электрона — похожие обозначения можно найти тут. Это вторая доска, позаимствованная у Ziteboard. Ее можно найти на Викимедии, погуглив вместе слова «typical», «mathematical» и «whiteboard». Подозреваю, что именно таким путем эта и шестая доски попали в игру. Комментируя эту гипотезу, Skalkaz отметил, что много лет назад он выбирал такое название для файлов из SEO-соображений и теперь рад, что не прогадал. Помимо обычной перестановки формул и графиков авторы текстуры сделали еще одно небольшое изменение. Обратите внимание на левый верхний угол: в отрывке, посвященному формированию дождя, оригинальная гора была заменена на прямоугольную конструкцию с синей точкой внизу. Осмелюсь предположить, что конструкция — это тот самый Старейший дом, прототипом которого стало здание по адресу Нью-Йорк, Томас-Стрит, 33. В этом случае синяя точка может быть Розовым Фламинго — предметом с паранормальными свойствами, который способен вызывать дождь. Что-то еще? Да. Кроме маркерных досок в игре можно найти классические меловые. Все три — уникальные и встречаются только раз. Одна из них имеет сюжетное наполнение, другая содержит шифр, разгадав который, первые три игрока могли получить бесплатную цифровую копию музыкального альбома группы «Socks and Ballerinas». Третья же доска имеет несколько более глубокое научное содержание. На ней изображена одна из реакций синтеза метамфетамина. Надпись «BLUE» подсказывает, что это отсылка к сериалу Breaking Bad, герои которого занимались изготовлением голубого метамфетамина. Эту пасхалку подтверждает и антураж лаборатории, в которой висит доска. Кроме досок, кое-какую научную информацию можно найти на разнообразных тетрадных листках и блокнотах. Здесь по большей части электротехника, связанная с записью на магнитные ленты и передачей аналоговых сигналов. На втором листке внизу можно заметить шкалу звуковых волн. Это, кстати, единственная физика, хоть как-то связанная с сюжетом игры. Согласно ему, в Старейший дом проникают враждебные силы, имеющие акустическую природу — как ни странно, надписи на белых маркерных досках практически ничего нам об этом не говорят. Последнее, что есть научного в текстурах игры, это небольшие блокнотные зарисовки. Что в итоге? Несмотря на свою схожесть, маркерные доски в Control и Black Mesa сильно отличаются по своей роли и организованности. Здесь они никак не связаны ни с сюжетом, ни с помещением, в котором их может найти Джесси. Они гораздо более эклектичны и собирают порой физику и математику совсем разных областей и уровней. Наконец, они не уникальны и повторяются. Причина, по которой все они имеют физико-математическую направленность, остается загадкой. Любопытно также, почему сложность содержания варьируется от школьных задач до фундаментальной квантовой теории. Вполне вероятно, что это эхо работы над предыдущей игрой Remedy — Quantum Break, где физике уделено гораздо больше сюжетного времени. Надеюсь, в будущем я найду время рассказать вам и про этот шутер.