От водолазного шлема до магических кластеров

Доктор физико-математических наук Андрей Вадимович ЗОТОВ изучает процессы формирования наноструктур. Он известный специалист в области физики твёрдого тела. Заведует лабораторией технологии двумерной микроэлектроники Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, профессор Дальневосточного федерального университета и Владивостокского государственного университета экономики и сервиса.

Научные интересы: физика поверхности и наноструктур, рост тонких пленок на поверхности полупроводниковых кристаллов, сканирующая туннельная микроскопия.

В 2016 году на состоявшейся в Москве сессии Общего собрания Российской академии наук Андрей Вадимович избран членом-корреспондентом РАН по специальности «физика».

Сегодня Андрей Вадимович – наш собеседник. Он рассказал о том, как стал учёным, своих научных интересах, достижениях, учителях и коллегах… А с чего всё началось?

В столицу!

– Мои школьные годы в Хабаровске выпали на 1960-е. Атмосфера тех лет (фильм «Девять дней одного года», журнал «Квант», команда КВН МФТИ в телевизионном конкурсе) меня зацепила. И тут такой подарок судьбы – первый дальневосточный набор в МФТИ во Владивостоке в 1972 году пришелся ровно на год моего окончания школы. Набрали 25 человек, среди них оказался и я. Не могу не упомянуть, что тогда же я познакомился с сокурсником Сашей Сараниным (Прим.: Александр Александрович Саранин, член-корреспондент РАН, заместитель директора ИАПУ ДВО РАН), с которым меня связывает с тех пор не только дружба, но и совместная научная деятельность. Для поступивших дальневосточников было особое условие: после четвёртого курса они должны были вернуться во Владивосток, там два года делать диплом (в МФТИ учатся шесть лет), а потом и работать. После четырёх лет, проведённых в столице, возвращаться не слишком хотелось, но теперь я совсем не жалею о том, что вернулся.

В отделе систем искусственного интеллекта

– В 1976 году вместе с Сараниным мы оказались в Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) тогда ещё ДВНЦ АН СССР в отделе систем искусственного интеллекта, созданном Филиппом Георгиевичем Старосом. Старос – легендарная личность, перебежчик из Америки, лауреат Государственной премии СССР, отец советской микроэлектроники, в этом году ему исполнилось бы 100 лет, но это отдельная история. В отделе предполагали создавать трёхмерные интегральные схемы и искусственный интеллект на их основе. Амбициозность задачи несколько контрастировала с материальной базой, которая на тот момент состояла из пары насосов и водолазного шлема (из него собирались сделать вакуумную камеру).

Прорыв на новый качественный уровень

– Я несколько утрирую, но не слишком. Исследования были примерно того же уровня. Моя дипломная работа заключалась в импульсном облучении плёнок сурьмы электронами. Научная значимость этих экспериментов не совсем очевидна, но определенный опыт из них я вынес, особенно, когда дважды попал под высокое напряжение (один и пять киловольт), к счастью, без последствий для здоровья (у меня двое детей, и я до сих пор играю в футбол). Прорыв на новый качественный уровень случился благодаря тому, что Ф.Г. Старос как-то сумел убедить тогдашнего Президента АН СССР А.П. Александрова приобрести нам две сверхвысоковакуумные установки фирмы «Riber», весьма неплохие для тех времен. Одна из установок досталась нам с Володей Коробцовым (Прим.: Владимир Викторович Коробцов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в ИАПУ ДВО РАН). А на приличном оборудовании можно уже делать и приличные работы. В 1980-е мы изучали кристаллизацию аморфных плёнок кремния, из чего получилось несколько статей (уже тогда мы стали публиковаться в международных журналах) и две кандидатские: сначала защитился Коробцов, потом я.

В.В. Коробцов и А.В. Зотов

Отдел В.Г. Лифшица

– Надо сказать, что всё это было уже после смерти Староса в 1979 году. Отдел тогда претерпел определенные пертурбации, и его уцелевшую «физическую» часть возглавил Виктор Григорьевич Лифшиц. При нём отдел получил новое название «Отдел физики поверхности» и более реалистичную тематику. Уже тогда физика поверхности была на подъёме и фактически предвосхитила последующий бум наук и технологий с приставкой «нано».

Основным объектом изучения в отделе стали поверхностные фазы на кремнии. Поясню: если на поверхность кремния посадить атомы другого элемента в количестве одного атомного слоя или меньше, то эти атомы вместе с атомами кремния образуют двумерный слой со своей специфической структурой и свойствами. Это активно развивающаяся область физики поверхности. На рубеже 1980-1990-х я тоже включился в работу по этой тематике. А уже в 1994 году с Сараниным и Лифшицем мы подготовили книгу-справочник «Surface phases on silicon» для престижного британского издательства «John Wiley & Sons», потом в 2000 году была ещё глава подобного содержания, но более формальная по структуре, для справочника серии «Landolt-Boernstein» издательства «Springer». А в промежутке-то были достаточно непростые для российской науки 1990-е годы, и большая заслуга Лифшица в том, что ему удалось сохранить отдел без катастрофических кадровых потерь. Не могу похвастаться, что я был всё время рядом.

А.В. Зотов, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин

Объект исследований – поверхностные фазы

– В 1994 году я выиграл стипендию Фонда Гумбольдта и полтора года провел в Мюнхене, ведя исследования в Институте физики Университета Бундесвера. В теме исследований меня никто не ограничивал (мне повезло, что так же было практически всю мою жизнь), и их объектом были всё те же поверхностные фазы. По возвращению в 1996 году для порядка защитил докторскую и в том же году впервые поехал в Японию в Университет г. Осака. Вплоть до середины нулевых годов эти поездки были достаточно регулярными: более 20 поездок, как правило, на срок два-три месяца, в сумме где-то три-четыре года, точнее уже не скажу, специально не считал. Удачным было то, что профессор Оура приглашал меня вместе с Александром Сараниным. В родном отделе мы были в разных лабораториях, а тут появилась возможность поработать вместе. Получилось бодро и продуктивно. Мы использовали сканирующий туннельный микроскоп, прибор, который позволяет различать отдельные атомы на поверхности. В нашем отделе такой микроскоп появился намного позже (правда, сейчас их уже четыре).

Пример глобализации

– За «японский» период мы опубликовали много статей в хороших журналах, вроде «Physical Review B», а к тому же ещё и подготовили учебник для студентов «Surface Science: An Introduction» (в русском переводе: «Введение в физику поверхности»). Это был пример глобализации: русские в Японии написали на английском языке учебник для немецкого издательства. Издательство было «Springer», а перевод вышел четырьмя годами позже в «Науке». Мы старались, чтобы учебник был ясным и чётким, доступным даже для ленивых студентов. Похоже, нам это удалось, и на учебник было много хороших отзывов, часто в самые неожиданные моменты, например, комплименты от редактора американского журнала по физической химии, куда мы как-то послали свою статью.

«Магические кластеры» и другие наноконструкции

– Начиная где-то с 2000 года, наши исследования перестали ограничиваться только поверхностными фазами. В частности, мы получили ряд основополагающих результатов в области, так называемых, магических кластеров на поверхности. Поясню: обычные атомные кластеры, образующиеся в результате самоорганизации, имеют разные размеры, что естественно, так как каждый кластер – это результат случайных атомных процессов. Но в некоторых системах кластеры определенного типа оказываются стабильнее всех остальных и, поэтому только они и реализуются в процессе роста. Число атомов в таких кластерах выражается каким-то особым (как бы, магическим) числом, отсюда и термин «магические кластеры». Эти работы оказались очень актуальными в связи с возникшим всеобщим интересом к формированию упорядоченных наноструктур. На нашу статью в «Physical Review B» про формирование идеального массива из магических кластеров уже более ста ссылок.

Есть ещё продолжающийся цикл работ (в частности, в рамках моего гранта РНФ), посвящённый самоорганизации фуллеренов (сферических углеродных молекул С₆₀). До нас уже было достаточно много работ про поведение фуллеренов на поверхности металлов и полупроводников. Наши же работы рассказывают о том, как ведут себя фуллерены на поверхностных фазах металл-кремний, где мы обнаружили ряд любопытных эффектов. Наиболее выразительный результат связан с открытием нового механизма самоорганизации, приводящего к образованию магических кластеров уже не из атомов, а из фуллеренов. Магический молекулярный кластер содержал ровно 37 молекул С₆₀. Этот результат заслужил публикацию в «Nature Communications».

Уникальный материал для исследования

– Возвращусь к истории. В 2005 году умер В.Г. Лифшиц. Мне пришлось возглавить его лабораторию технологии двумерной микроэлектроники, а А.А. Саранину – отдел физики поверхности, чтобы продолжить его дело.

Физика поверхности долгое время относилась скорее к материаловедению, чем к «настоящей» фундаментальной физике. В последнее десятилетие ситуация изменилась благодаря нескольким важным открытиям. Вот, например, объёмные металлы при охлаждении до низких температур могут стать либо сверхпроводником, у которого сопротивление равно нулю, либо диэлектриком, у которого сопротивление равно бесконечности. А как себя поведут металлические слои атомной толщины? Согласно теории, атомные слои не должны переходить в сверхпроводящее состояние. А недавние эксперименты показали, что атомные плёнки свинца и индия демонстрируют сверхпроводящие свойства. Мы тоже отметились в этой области, обнаружив сверхпроводимость в сплаве таллий-свинец атомной толщины. А у двойного атомного слоя таллия в магнитном поле мы зафиксировали совсем уж уникальное свойство: при охлаждении он остается металлом с конечным сопротивлением. Это гипотетическое состояние, так называемого, бозе-металла. А есть ещё и эффект Рашбы, заключающийся в спиновом расщеплении электронных состояний в системах с двумерным электронным газом за счёт нарушения пространственной инверсионной симметрии.

Недавно обнаружили, что в атомных пленках тяжёлых металлов он может достигать гигантских значений, что делает их перспективным материалом для немагнитной спинтроники. Мы синтезировали целый набор атомных сплавов на кремнии, обладающих этим свойством, в том числе и сверхпроводящий сплав таллия и свинца, что делает его, вообще, уникальным материалом. Перспективы тут очень богатые.

Когда ощущаешь себя интегрированным в мировую науку

– Интересно делать науку на добротном мировом уровне (не хочется быть маргиналом), интересно публиковать свои результаты в хороших международных журналах (чтобы аудитория читателей была максимальная), интересно отслеживать цитирование своих статей (а как ещё узнать, насколько востребованным оказался результат?). Если всё это получается на приличном уровне, то уже ощущаешь себя интегрированным в мировой научный процесс. В принципе, прямое сотрудничество с зарубежными учёными для этого и необязательно, хотя бывает очень полезным. Только это должна быть реальная работа над конкретной задачей, представляющей взаимный интерес. Именно так мы уже более 10 лет сотрудничаем с группой теоретиков из Института атомной и молекулярной физики в Тайбэе. У нас много совместных публикаций, где их расчёты хорошо дополняют наши экспериментальные результаты. Эти работы поддержаны грантом Программы «РФФИ-Тайвань», но это не является определяющим, свои первые совместные работы мы делали без всяких на то формальных оснований.

О симпатии и сотрудничестве

– Очень желательно, чтобы партнёры были ещё и симпатичны друг другу в человеческом плане, хотя не всегда всё срастается просто. Например, у нас много знакомых коллег в Японии, среди них есть по-настоящему выдающиеся учёные, например, профессор Хасегава из Токийского университета, признанный лидер в области электрофизических измерений. Мы дружим с ним уже около 20 лет, а первая совместная публикация, причём сразу в «Physical Review Letters», у нас появилась лишь в 2015 году, когда в лаборатории Хасегавы была зафиксирована сверхпроводимость образца нашего сплава таллий-свинец. После этого сотрудничество пошло веселее. В прошлом году к нам приезжали его аспиранты, в этом году уже вышла статья в «2D Materials» про двойной слой таллия, и есть ещё целый ряд интересных работ различной степени завершенности.

О планах и перспективах

– О будущем своей научной области я не слишком переживаю. Более того, я противник жёсткого планирования научной работы даже на относительно короткий срок. Про себя знаю, чем точно буду заниматься в этом году, приблизительно, чем в будущем году, и почти ничего про то, чем – через пару лет. Меня несколько смущала такая моя недальновидность, пока я не узнал про реакцию академика И.П. Павлова на проект планирования научных работ, начатый Академией наук в 1928 году по рекомендации Госплана СССР: «Что касается до плана научных исследований, то таковой дать нахожу невозможным, так как движение работы определяется вопросами, возникающими во время самой работы». Жаль, что сейчас такой ответ уже вряд ли найдет понимание у грантодателей.

А кому сейчас легко?

– Относительно перспектив российской науки хотелось бы быть оптимистом, но оценка нынешней ситуации на основе жизненного опыта подсказывает, что едва ли будет слишком хорошо. Но это не повод смириться. Как лягушка из притчи: надо бить лапками, может, удастся взбить масло и остаться на поверхности. Это будет непросто, но ведь и лягушке было непросто, пусть она будет для нас примером. Вот такой относительно позитивный вывод.