Нобелевская кухня: самый необычный объект в физике
Обсудить 0
Константин Новоселов, который делится с читателями «ПМ» этим несложным рецептом, был первым человеком, собственноручно получившим графен — материал, который, как считалось, вообще не может существовать. Мы беседуем в одной из аудиторий МФТИ, куда Новоселов приехал прочитать лекцию об исследованиях «нобелевского» материала. На стене напротив висят портреты выдающихся физиков. Среди них — Лев Ландау, который еще в 1937 году вроде бы окончательно доказал, что и графен, и другие двумерные кристаллы должны быть настолько нестабильны, что синтезировать их никогда не удастся. И все же в 2004 году Новоселов с Геймом обошли запрет Ландау и получили двумерный углерод, причем без какого-либо сложного оборудования — тем самым способом, который может повторить у себя на кухне любой читатель. Я спрашиваю Новоселова, как ему удалось пойти против авторитета самого Дау.
В последние годы появляется все больше двумерных кристаллов, которые оспаривают право называться новым графеном, но простота гексагонального углерода делает его физику по‑прежнему уникальной.
«Да я и сам абсолютно точно знал, что это невозможно, что настоящий однослойный углерод получить не выйдет. Но, во‑первых, интересно — если не нельзя получить один слой, можно ли сделать два? А три? Было бы очень занимательно узнать, как в данном случае решается «парадокс кучи». А во-вторых и в-главных, порой вместо того, чтобы рассуждать об эксперименте, лучше просто попробовать его сделать», — отвечает Новоселов.
В лаборатории Андрея Гейма, где тогда работал Константин, эта практичная философия была воплощена в традицию так называемых пятничных экспериментов. Подразумевалось, что любой может испытать свою самую безумную идею, если только это не потребует слишком больших ресурсов. В ходе одного из таких опытов, например, оказалось, что за счет диамагнитных свойств воды можно заставить левитировать растения и животных — достаточно поместить их в очень сильное магнитное поле. Этот полушуточный эксперимент впоследствии принес Гейму Игнобелевскую премию (за несколько лет до Нобелевской), а отважному хомячку Тише, испытавшему на себе действие поля, — соавторство в статье. Было еще много других «пятничных проектов», большинство из которых, конечно, так ни во что и не воплотились. Однако именно в их ряду возникла та самая безумная идея — получения «невозможного» одноатомного углерода с помощью скотча.
«Журналисты давно прозвали нас «мусорными учеными», — шутит Новоселов. — То, что другие десятками лет выкидывали в корзину, мы решили подобрать и исследовать». Речь идет об идее использования техники расслоения материала, которую удалось подсмотреть у микроскопистов: они обычно употребляют графит в качестве стандартного объекта и для того, чтобы подготовить его к исследованию, наклеивают и отрывают липкую ленту. Получается почти идеально ровная подложка, а вот то, что остается на скотче — собственно графен, — всякий раз отправлялось в корзину. Однако в какой-то момент на ее содержимое обратили внимание Новоселов и Гейм — внутри оказался не просто «нобелевский» материал, но один из самых необычных объектов в физике.
ЦЕРН на столе
Свойства графена описывают исключительно в превосходной степени. Это самый тонкий из всех возможных материалов, самый прочный, самый эластичный из всех кристаллов. Графен совершенно непроницаем для любых молекул, если только специально не сделать в нем дырок (и использовать его как молекулярное сито). Он обладает рекордной теплопроводностью и прозрачнее любых других проводящих материалов, что в сочетании с высокой гибкостью позволяет надеяться на скорое появление прозрачных дисплеев на его основе.
Уникальную теплопроводность двумерного углерода уже сейчас применяют в производстве некоторых экспериментальных светодиодных ламп. Ее же пытаются эксплуатировать и создатели первого графенового мотошлема: по их словам, материал обеспечивает равномерное распределение тепла при ударе.
И все же с точки зрения чистой физики все эти превосходные степени бьют мимо цели, ведь самое интересное в одноатомном углероде — это не прочность и гибкость, а необычные электронные свойства, аналогов которых нет ни в одном другом материале. С этой точки зрения графен — уникальная тестовая площадка для разработки самых фундаментальных теорий, своеобразный «ЦЕРН на столе». По словам автора этой метафоры, теоретика Михаила Кацнельсона, за несколько лет существования «живого» графена в теории однослойных материалов произошел гораздо больший прогресс, чем за все те 70 лет, когда он был лишь теоретической конструкцией.
Говорить об этих свойствах, не прибегая к формулам, почти невозможно, но вот лишь пара примеров. Носители заряда в графене ведут себя как частицы без массы покоя — фактически как фотоны в вакууме. Они не обладают инерцией, поэтому графен остается проводником даже в области очень высоких частот. Они могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, причем независимо от высоты последних — такое поведение редкость даже в «обычной» квантовой физике. Графен остается проводником, даже если носителей заряда почти вовсе нет — их нет, а ток есть.
На фоне всех эти экзотических свойств современные применения графена кажутся даже не вершиной айсберга, а лишь одиноким пингвином на его утесе. И пока инженеры продолжают эксплуатировать механические особенности однослойного углерода, Новоселов и другие физики пытаются протянуть мостик к его электронным свойствам, создавая на его основе сложносоставные «сэндвичи». И графен в их составе играет лишь роль первого среди равных.
От блинчика к торту
«Что делает инженер, если ему нужно создать какое-то принципиально новое электронное устройство? Он берет уже существующие материалы (а это почти всегда кремний), изучает их электронную структуру, запрещенную зону и все остальное и, основываясь на этом, пытается сделать что-то новое. В идеале все должно происходить иначе. Чтобы инженер сначала думал о том, что он хочет получить, и уже потом с нуля, слой за слоем, создавал материал для нового устройства». Именно в этом направлении сейчас работает лаборатория Новоселова.
Механические свойства графена делают его идеальным кандидатом для создания и рекордно легких часов, и акустических мембран для наушников, от которых требуется прежде всего сочетание прочности с минимальной массой.
Материалы, полученные наложением однослойных кристаллов друг на друга, — их называют гетероструктурами — потенциально позволяют получать устройства с самыми необычными функциями. Те, что реализованы сегодня, — транзисторы, сенсоры, LED-излучатели — все еще очень далеки от реального применения и пока могут лишь иллюстрировать возможности самого подхода. Но даже эти возможности выглядят весьма футуристично.
«Возьмем, например, просто два слоя графена и поместим между ними любой изолятор, — приводит Новоселов пример из лекции. — Туннелирование между листами графена будет зависеть не только от толщины слоя изолятора, но и от их вращения друг относительно друга, а также их растяжения. Самое интересное, что зависимость силы тока от напряжения даже в таком простом устройстве будет очень необычной: в какой-то момент ток будет уменьшаться, а не расти с напряжением. Мы получим что-то вроде отрицательного сопротивления, что довольно редко можно встретить где-то еще. Такое поведение может найти множество применений, например в высокочастотной микроэлектронике».
В палитре «красок» для создания гетероструктур уже сейчас множество материалов помимо графена. Нитрид бора — отличный изолятор, диселенид ниобия — сверхпроводник, дисульфид молибдена — полупроводник. Комбинируя их, можно получать многослойные «торты» с самыми разными свойствами. Но какими именно, предсказать пока трудно. Двигаться приходится почти на ощупь. Новоселов сетует: «Гетероструктура — это очень сложная система. Как нас учили на физтехе, всегда нужно найти малый параметр и им пренебречь. И наша задача как экспериментаторов — отыскать, чем именно можно пренебречь в данном случае. Мы строим модель и смотрим, получается ли описать поведение системы. Если нет, то начинаем этот параметр учитывать и двигаемся дальше. Это непростой итерационный процесс, он требует времени и терпения, поэтому сложно сказать, куда он нас заведет».
