А.М. Сунгурский – Сто шагов в неизвестное (страница 3)
Гетероструктуры стали основой не одного изделия, а целого способа конструирования электронных и оптических устройств. Они используются в источниках света, фотоприёмниках и высокочастотной электронике. Когда по оптическому волокну передают информацию, за привычным словом «связь» скрывается необходимость быстро, устойчиво и управляемо превращать электрический сигнал в световой и обратно.
Нобелевскую премию по физике 2000 года Алфёров разделил с Крёмером и Джеком Килби. Награждение объединяло разные работы, заложившие основу информационных технологий; вклад Алфёрова и Крёмера относился к полупроводниковым гетероструктурам. Килби был отмечен за вклад в создание интегральной схемы. Эти достижения связаны общей технологической эпохой, но не являются одним и тем же изобретением.
Ключевые работы Алфёрова относятся к СССР, а премия — к периоду Российской Федерации. Эта разница не уменьшает преемственности научной школы. Она позволяет увидеть, сколько времени отделяет создание физического метода от его повседневного применения. Для пользователя световой сигнал просто приходит вовремя; внутри прибора тонкие слои продолжают выполнять работу, ради которой их когда-то научились соединять.
4. 1981. Цвет, заданный размером
Если разрезать лист красной бумаги пополам, половинки останутся красными. Мы привыкли считать цвет свойством вещества: уменьшение куска меняет его количество, но не сам материал. На очень малых масштабах эта привычка подводит. Частицы одного и того же полупроводника могут по-разному взаимодействовать со светом именно потому, что отличаются размером.
Алексей Екимов исследовал это явление в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова в Ленинграде. В начале 1980-х годов его работа с нанокристаллами в стекле показала, что размер частиц связан с изменением их оптических свойств. В 1981 году Екимов и А. А. Онущенко опубликовали результат в «Письмах в ЖЭТФ». До Нобелевской премии по химии, которую Екимов разделил с Луисом Брюсом и Мунги Бавенди, оставалось больше сорока лет.
Слово «нанокристалл» обозначает кристаллическую частицу, размеры которой измеряются нанометрами. Один нанометр — миллиардная доля метра. Однако малость сама по себе ещё не объясняет явление. Важно, что размеры частицы становятся сопоставимы с характерными масштабами движения носителей заряда в веществе. Пространственные ограничения начинают заметно влиять на разрешённые энергетические состояния.
Представим натянутую струну. Её длина участвует в определении того, какие колебания возможны. Укороченная струна при прочих равных звучит иначе, хотя материал не поменялся. Электрон в нанокристалле не является крошечной механической струной, и буквально переносить эту картинку нельзя. Сходство состоит в роли границ: допустимые состояния зависят от размеров области, в которой существует волновой процесс.
В полупроводнике свет может перевести электрон в более высокое энергетическое состояние, оставляя после себя так называемую дырку — отсутствие электрона, которое в коллективном движении ведёт себя как положительный носитель заряда. Электрон и дырка могут образовать связанную пару, экситон. Когда такая система пространственно ограничена, энергии её состояний изменяются. Поэтому меняются и энергии фотонов, которые частица способна поглощать или испускать.
Полупроводниковые нанокристаллы, в которых такое ограничение существенно, называют квантовыми точками. У многих из них уменьшение размера увеличивает энергию оптического перехода, а большей энергии фотона соответствует более короткая длина волны. В видимой части спектра это сдвиг в сторону синего: частицы одного состава могут светиться разными цветами в зависимости от размера. Нельзя по одному диаметру предсказать цвет любого наноматериала: имеют значение состав, форма, поверхность и окружающая среда. Но размер стал самостоятельным инструментом настройки, которым в обычном куске вещества мы не распоряжаемся таким образом.
Научная история квантовых точек складывалась в нескольких лабораториях. Екимов работал с частицами в стекле. Брюс исследовал квантовые размерные эффекты в частицах, находящихся в растворе. Бавенди и его коллеги в 1993 году предложили способ получать нанокристаллы высокого качества с хорошо контролируемыми размерами. Это разные вклады в общее направление. Наблюдение необычного явления и воспроизводимое изготовление подходящего материала решают разные задачи, и практическая технология нуждается в обоих.
Важность однородности нетрудно понять без химической лаборатории. Если нужен определённый оттенок зелёного, а частицы в смеси сильно различаются по размеру, они будут испускать свет разных длин волн. Вместо узкой полосы нужного цвета получится более широкий спектр. Производственный метод должен обеспечивать не только наличие полезных частиц, но и повторяемость их характеристик. Между «такое возможно» и «это можно надёжно изготовить» лежит самостоятельная исследовательская работа.
Сегодня квантовые точки применяют, в частности, в устройствах отображения и исследуют как оптические метки для биологии. В одном из вариантов телевизионных панелей квантовые точки преобразуют часть синего света подсветки в красный и зелёный. При этом светятся они под действием падающего света; заставить сами точки излучать при прохождении электрического тока — другая техническая задача. И полезное свечение биологической метки само по себе не гарантирует её безопасности для человека — состав и судьба частиц в организме требуют отдельной проверки.
Эта глава возвращает нас к границе, проходящей через всю книгу. Открытие Екимова относится к советскому периоду. Его нобелевское признание состоялось в 2023 году, когда учёный давно работал за пределами России. Ни поздняя дата награды, ни смена страны работы не меняют места и времени исходного результата. Зато они показывают длинную жизнь научной идеи: из опытов с нанокристаллами в стекле выросло международное направление, а размер частицы превратился в способ управлять свойствами вещества.
5. 1993. Остров, где мамонты задержались
В 1993 году Сергей Вартанян, Вадим Гарутт и Андрей Шер сообщили: мамонты острова Врангеля пережили своих материковых сородичей на тысячи лет. Ключом стали радиоуглеродные датировки останков, в том числе зубов мамонтов.
Часть останков оказалась значительно моложе привычной границы конца ледникового времени. Мамонты жили на острове примерно четыре тысячи лет назад. Мир уже знал земледелие, города и письменность, а в Арктике ещё сохранялись животные, которых мы мысленно помещаем в гораздо более далёкое прошлое.
Эти две картины не противоречат друг другу. Земледельческое общество в одной части планеты ничего не говорит о составе фауны на другом конце света. Открытие заставило раздвинуть границы воображения, но сделано оно было вполне проверяемым способом: измерением возраста конкретных остатков.
Пока организм жив, он получает углерод из окружающей среды, в том числе радиоактивный углерод-14. После смерти это поступление прекращается, а углерод-14 продолжает распадаться с известной скоростью. Его доля относительно стабильного углерода постепенно уменьшается. Сравнивая её с оценкой исходного соотношения изотопов, можно определить, сколько времени прошло. Это не часы с циферблатом на кости: образец надо очистить, учесть загрязнение, проверить сохранность вещества и перевести радиоуглеродную шкалу в календарную. Несколько независимых находок убедительнее одной неожиданно молодой даты.
Работа принадлежала исследователям заповедника «Остров Врангеля», Зоологического института и Института эволюционной морфологии и экологии животных. Само место здесь существенно. Остров может стать убежищем, когда подходящие условия на материке исчезают, а может превратиться в ловушку: уйти дальше некуда. После отделения от материка животные оказываются в пространстве с ограниченными запасами пищи и числом возможных партнёров.
Небольшая популяция меняется иначе, чем большая. Редкие варианты генов могут случайно исчезнуть. Родственные особи чаще оставляют потомство друг с другом, и вредные наследственные варианты с большей вероятностью встречаются в двух копиях. Но отсюда ещё не следует, что каждая маленькая популяция обречена немедленно погибнуть. Численность, доступная пища, болезни и случайные события действуют одновременно.
Спустя три десятилетия этот вопрос стало возможно изучать по древним геномам. Международная работа 2024 года, в которой участвовали и российские специалисты, проследила генетическую историю мамонтов до и после изоляции острова. После сильного сокращения численность восстановилась до некоторого устойчивого уровня; генетические последствия сокращения сохранялись. Картина не поддержала простую историю о непрерывном наследственном ухудшении, которое само по себе неизбежно привело к вымиранию.