«Мы занимаемся исследованием транспортных и оптических свойств в полупроводниковых структурах пониженной размерности.
Современная цифровая эпоха — это прямое следствие фундаментальных исследований в области квантовой механики»
Что именно и когда привело Вас в теоретическую физику? Как начали заниматься наукой и когда поняли, что хотите этим заниматься?
Я выпускник Физического факультета МГУ 2007 года, закончил аспирантуру Физического факультета и с 2010 года работаю на кафедре физики полупроводников и криоэлектроники (в тот момент она называлась кафедра полупроводников), в настоящий момент в должности профессора кафедры. В экспериментальную лабораторию сканирующей зондовой микроскопии я пришел на 2 курсе, где учился экспериментальным методам исследования поверхности с высоким разрешением.
Теоретической физикой начал заниматься на 5 курсе благодаря прекрасному физику-теоретику Наталье Сергеевне Масловой, которая читала у нас лекции по физике мезоскопических систем и во время сдачи экзамена предложила попробовать свои силы в области теоретической физики. Наталья Сергеевна очень терпеливо и последовательно учила меня теоретической физике, мы плодотворно сотрудничаем уже больше 20 лет.
Какой грант Вы получали от Фонда «Базис», чем помогла поддержка, как она влияет на исследование и насколько критична в момент принятия ключевых решений?
Поддержку фонда «Базис» мы получили не с первого раза. Это был грант "Junior Leader" в 2023 году. На гранты Фонда по теоретической физике большой конкурс и Фонд проводит тщательную экспертизу заявок, привлекая для этого ведущих физиков-теоретиков. Улучшая заявку, мы получили грант. Поддержка Фонда очень важна для аспирантов, а также для молодых ученых – членов коллектива, начинающих свой путь в науке. Многим это позволяет остаться в науке и заниматься любимым делом.
В целом получение любой финансовой поддержки дисциплинирует: во-первых, еще на этапе заявки позволяет более четко и конкретно сформулировать направление движения научных исследований, определить цели и задачи для работы на перспективу в несколько лет, а во-вторых, организует, поскольку обычно существуют определенные обязательства в плане отчета. Это не всегда хорошо, поскольку научные исследования – это творческий процесс, а безошибочно сформулировать результат заранее не всегда возможно. Знаете, это как в замечательном кинофильме «Тот самый Мюнхгаузен», где в расписании барона с 8 до 10 утра ежедневно запланирован подвиг. Однако, в этом плане у Фонда «Базис» очень либеральные требования к отчетам – минимальное количество бюрократии и пунктов, требуемых к заполнению.
Расскажите об исследовании Вашей научной группы: чем Вы занимаетесь, в чем суть исследования и какая научная проблема в центре Ваших исследований?
Мы в составе научной группы занимаемся исследованием транспортных и оптических свойств в полупроводниковых структурах пониженной размерности. Важной особенностью таких структур является то, что они демонстрируют свойства, которые принципиально отличаются от того, что мы привыкли видеть в объемных полупроводниках. Для корректного их описания и понимания происходящих явлений нужно использовать аппарат квантовой механики. Уменьшение размеров приводит к возрастанию роли межчастичных взаимодействий, которые кардинальным образом изменяют транспортные характеристики структур сверхмалых размеров. Приведу пример: современные компьютеры работают на основе интегральных схем и микропроцессоров. Основным элементом при этом является полевой транзистор. Первые коммерческие компьютеры содержали несколько тысяч транзисторов, в современных компьютерах транзисторов десятки миллиардов. Уменьшение размера элементов связано с уменьшением размера управляющего элемента – затвора. Характерные размеры сейчас около 10 нм, что является слоем в несколько десятков атомов – почти на пределе современных инженерных возможностей. Становится важным контролировать качество материала и понимать, как можно управлять свойствами транспорта в таких структурах, например, за счет внедрения примесных атомов другого сорта.
Такими исследованиями мы и занимаемся. Понимание того, как происходит транспорт носителей заряда в структурах малых размеров важно для создания и эффективной работы базовых элементов наноэлектроники. Управление параметрами транспорта важно как с точки зрения эффективности и быстродействия, так и с точки зрения решения проблемы тепловыделения. Все это вносит вклад в развитие полупроводниковых технологий, спинтроники, фотоники, фотовольтаики.
Есть ли прикладная значимость у исследования? Расскажите о его прорывном потенциале. Чем исследование интересно для технологического будущего или где применимо, какие перспективы?
Ответить однозначно на этот вопрос достаточно сложно. Но точно можно быть уверенным в том, что исследование транспортных и оптических свойств низкоразмерных систем закладывает фундаментальную базу для преодоления физических ограничений, существующих в современной наноэлектронике, что позволит в будущем, я надеюсь, получить более быстрые и энергоэффективные компоненты. Со временем эти знания трансформируются в инженерные решения в области спинтроники, фотовольтаики, сенсорики, фотоники. Можно надеяться на переход от субмикронной литографии к атомарному конструированию функциональных элементов. Это приведет к появлению гибридных фотонно-электронных чипов, способных обрабатывать информацию на скоростях, недоступных для современных CMOS-технологий, а также созданию эффективных вычислителей для решения сложных задач материаловедения.
В результате очень важно инвестировать в развитие фундаментальной науки вообще и теоретической физики в частности. Такие инвестиции достаточно развиты в США, Европе и Азии, где основной вклад берут на себя технологические и промышленные компании, постоянно думающие о совершенствовании технологий. В таких компаниях есть и свои научно-исследовательские центры и возможности для финансирования научных исследований в университетах и научных организациях. Очень хорошо, что в нашей стране также есть компании и отдельные люди, которые готовы финансировать фундаментальные научные исследования, прекрасно понимая, что отдача от конкретного исследования может быть нескоро, а может и вообще не быть. В этой связи я бы хотел поблагодарить Фонд «Базис» и Фонд Олега Дерипаска «Вольное дело» за поддержку теоретических исследований в области физики и математики, а также за активную поддержку молодых ученых.
Почему, на Ваш взгляд, важно инвестировать в фундаментальные исследования и в теорфизику, практическая отдача которых может появиться лишь спустя годы или десятилетия?
В каком-то смысле ответ на этот вопрос скрывается в самом вопросе. Любая технология проходит путь от идеи, ее теоретического обоснования и экспериментального исследования, до лабораторного образца с последующим масштабированием, которое уже осуществляется с помощью инженеров, специалистов по финансам, юристов. Важно, что очень маленький процент идей доживает до практической реализации, но этот маленький процент был бы невозможен без масштабных фундаментальных исследований, которые приводят к накоплению научного знания, что в конечном счете позволяет получить практическую отдачу. Это процесс небыстрый, но сейчас путь от идеи до ее практической реализации гораздо короче и быстрее, чем это было раньше. Инвестиции в фундаментальную и теоретическую физику — это вложения в саму возможность будущих технологических революций. Практически все современные высокие технологии от устройств микроэлектроники, до GPS, интернета, стали возможны благодаря созданию квантовой механики и теории относительности, что произошло около ста лет тому назад.
Как фундаментальная физика влияет на развитие других областей науки и какие практические вопросы решаются с позиций фундаментальных исследований? Как объяснить, что теорфизика не далека от реальной жизни, а непосредственно влияет на нее? Приведите примеры, близкие к Вашей области исследования, когда идеи сначала казались абстрактными, а затем привели к важным технологическим прорывам.
Фундаментальные науки очень тесно взаимосвязаны. Развитие физики невозможно себе представить без развития математики. Физика исследует процессы и закономерности, проистекающие в окружающем нас мире, конечно, в рамках моделей, которые обычно ухватывают основные закономерности исследуемого явления. В качестве примеров тесной связи физики с такими фундаментальными науками, как химия, биология, геология, материаловедение можно привести такие: квантовая механика позволила понять, как образуются химические связи, а физика твердого тела лежит в основе современной микро- и наноэлектроники. Развитие физики приводит к появлению приборов, применяемых в других областях науки - рентгеновская кристаллография позволила расшифровать ДНК, ускорители частиц и нейтронные реакторы, используются для изучения структуры белков и новых лекарств. Знание гидродинамики и термодинамики позволяет моделировать процессы, происходящие в атмосфере и океанах. Это лишь несколько примеров, но думаю, что их вполне достаточно, чтобы понять тесную связь различных областей науки и важную роль физики.
Фундаментальные исследования позволяют не решить сиюминутную задачу, а постараться снять ограничения, останавливающие развитие прогресса. При непосредственном участии физиков появляются новые материалы, исследуются вопросы о миниатюризации элементов наноэлектроники, что повышает скорость вычислений, совершенствуются механизмы передачи данных и т.д. В качестве примеров из истории науки можно привести следующие:
- уравнения Максвелла (1860 годы). Несколько позже сначала Герц продемонстрировал существование радиоволн, затем Попов и Маркони изобрели радио, а сегодня у нас есть сотовая связь, спутниковая связь, вай-фай, радары;
- общая теория относительности Эйнштейна (1915 год). Сейчас эти знания необходимы для корректной работы GPS;
- формирование квантовой механики (Бор, Шредингер, Гейзенберг, Паули) (1920-1930). Был изобретен транзистор – базовый элемент микропроцессоров. Сейчас знания, полученные из квантовой механики, являются основой современной наноэлектроники, используются в лазерах, применяемых в медицине и материаловедении. Современная цифровая эпоха — это прямое следствие фундаментальных исследований в области квантовой механики.
Случаются ли моменты, когда кажется, что задача не имеет решения? Как вы их преодолеваете?
Моменты, когда что-то не получается или нет четкого понимания каким образом нужно решать задачу, бывают у каждого человека, занимающегося научными исследованиями. Неважно речь идет об экспериментальной работе или теоретических исследованиях. По моему личному опыту, в такой ситуации главное не торопиться. Нужно спокойно подумать, проанализировать, что сделано и как сделано, понять в чем загвоздка. Тогда либо решение появится естественным образом, либо можно посоветоваться с коллегами, либо посмотреть литературу, поискать что-то похожее. Главное тщательно проанализировать ситуацию и решение появится.
Случаются ли озарения, инсайты, как они происходят?
Не знаю, насколько подходящим является слово озарение, но, когда ученый размышляет над какой-то задачей, пытается найти решение, читает литературу, общается с коллегами, участвует в конференциях, действительно приходят мысли о том, в каком направлении двигаться дальше или как решить текущую задачу. Это результат долгих размышлений и анализа, думаю, да, новые мысли вполне можно назвать озарением.
Ваши планы на будущее.
Планы – заниматься научными исследованиями, реализовать текущие проекты и идеи, размышлять над идеями на перспективу, развиваться и учиться новому, и самое главное, передавать знания молодежи – нашим молодым сотрудникам, аспирантам, студентам. Наша задача помочь студентам получить качественное образование, чтобы они могли дальше, будучи думающими специалистами, уверенно смотреть в будущее и выбирать себе занятие по интересу и по душе.
