Как создать технологии будущего, способные решить острейшие энергетические и информационные кризисы человечества? В Периметр Институте состоялась публичная лекция известного физика Роба Мура (Rob Moore), заместителя директора Стэнфордского института материалов и энергетических наук (SIMES), посвященная проектированию новых материалов на уровне отдельных атомов. Исследователь продемонстрировал, как манипуляции с электронной структурой открывают двери в «квантовую эру», способную перевернуть представления о компьютерах, электросетях и экологии.
🌍 В погоне за эффективностью: вызовы нового века 2:17
Выступление Роба Мура началось с ироничного замечания о бюрократических приключениях при пересечении границы США и Канады. Из-за внезапного изменения правил Государственным департаментом США лекцию, планировавшуюся ещё на февраль, пришлось перенести, но благодаря поддержке Периметр Института встреча всё же состоялась. Чтобы наглядно показать хрупкость нашей планеты, спикер продемонстрировал залу обычный недорогой надувной глобус. По словам физика, его первоначальная идея заключалась в том, чтобы обернуть этот глобус обычной пищевой пластиковой плёнкой в три-четыре слоя — именно такую относительную толщину имеет земная атмосфера. Роб Мур также пошутил, что в текущем политическом климате США открытые разговоры о глобальном потеплении могут привести к тому, что Госдепартамент просто не впустит его обратно в страну.
Однако, абстрагируясь от политики, учёный выделил фундаментальный технологический вызов: перед человечеством стоит огромное количество сложнейших инженерных задач. В их числе создание аккумуляторов с высокой плотностью энергии, мощных топливных элементов, сверхбыстрых компьютеров, эффективных солнечных панелей, а также надёжных энергетических и информационных сетей. Сюда же относятся продвинутые медицинские приборы вроде кардиостимуляторов и системы улавливания углерода на промышленных предприятиях.
При этом Роб Мур обратил внимание на скрытую ловушку экологически чистых технологий. По его мнению, если завтра полностью закрыть все электростанции на ископаемом топливе, мы лишь обменяем углеродный след на след от добычи переходных и редкоземельных металлов. Попытка добывать эти энергетические металлы достаточно быстро и дёшево для удовлетворения глобального спроса потребует использования крайне агрессивных химикатов, которые неизбежно загрязнят водные ресурсы. Поскольку современные люди круглосуточно окружены технологиями и не удаляются от смартфонов даже во время сна, единственным выходом становится поиск путей развития цивилизации без разрушения экосистемы.
⏳ От каменного топора до терабайта в кармане: эволюция материалов 7:08
Всю историю человечества можно разделить на эпохи, определяемые материалами, которыми люди научились овладевать. Как напомнил слушателям Роб Мур, эволюционный путь занял миллионы лет:
- Каменный век: Около 3 миллионов лет назад зафиксированы первые свидетельства использования примитивных орудий труда. Потребовались миллионы лет развития, чтобы человечество перешло от простых костей и камней к сложнейшим мегалитическим постройкам, таким как Стоунхендж около 3000 года до н.э..
- Бронзовый век: Около 6000 года до н.э. люди начали плавить медь, но лишь к 3000 году до н.э. догадались добавлять в расплав олово. Полученная бронза оказалась достаточно прочной для создания инструментов, радикально изменивших уклад общества.
- Железный век и индустриализация: Около 1200 года до н.э. началось освоение железа. Символом окончательного триумфа металлургии и катализатором Промышленной революции стал локомотив, позволивший перемещать колоссальные объёмы грузов и людей по всему миру.
- Эра полупроводников: В 1947 году был создан первый точечно-контактный транзистор (спикер упомянул IBM, хотя исторически разработка велась в Bell Labs). Потребовалось ещё 60 лет упорного труда учёных, чтобы эта базовая технология развилась до повсеместного интернета и появления массовых провайдеров в 1970–1980-х годах.
Чтобы продемонстрировать скорость современного цикла материалов, Роб Мур привёл в пример эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), открытый в 1988 году. Это квантовое свойство, при котором слабое магнитное поле вызывает колоссальное изменение электрического сопротивления, легло в основу жёстких дисков. Около десяти лет ушло на коммерциализацию технологии, и ещё десятилетие — на уменьшение накопителей до формата микроприводов (микродрайвов). В качестве шутки спикер показал архивный снимок крошечного микропривода рядом с цыплёнком, добавив, что этот «цыплёнок уже давно улетел из курятника», ведь сегодня терабайтные флешки легко помещаются в кармане.
Для осознания масштаба прогресса Роб Мур предложил сравнить современную флешку объёмом 1 терабайт с популярными на рубеже 1990-х годов дискетами. Чтобы вместить этот объём данных, потребуется ровно 750 000 флоппи-дисков. Если сложить их все вместе на сцене лектория, они заполнят коробку размером 10х10х12 футов (примерно 3х3х4 метра). Но что ещё более поразительно, эта гора пластика весила бы больше, чем 8 легковых автомобилей Toyota Camry. Спикер иронично заметил, что никогда не думал, будто цифровые фотографии и видео могут иметь такой огромный физический вес.
Этот пример наглядно иллюстрирует две мысли: жизненный цикл освоения новых материалов стремительно сокращается, и именно они определяют возможности нашей цивилизации. Сегодня в распоряжении инженеров есть прозрачные оксиды, гибкая электроника и умные строительные материалы, но следующая великая эпоха, по мнению учёного, развернётся на уровне отдельных атомов и электронов.
⚛️ Заглядывая под капот природы: квантовая архитектура атомов и зон 14:04
Для объяснения того, как физики планируют строить будущее «снизу вверх», Роб Мур вернулся к школьному курсу: атом состоит из тяжёлого ядра и вращающихся вокруг него лёгких электронов. Электроны занимают определённые энергетические уровни и движутся по разным орбиталям — S-орбитали вмещают 2 электрона, P-орбитали — 6 и так далее. Однако современный квантовомеханический подход заменяет классические планетарные орбиты «облаком заряда». Согласно законам квантового мира, мы не знаем и никогда не узнаем, где именно находится электрон, пока не измерим его, а сам процесс измерения мгновенно меняет его состояние.
Когда атомы сближаются в кристаллической решётке, их электронные облака начинают перекрываться. Электрон теряет принадлежность к конкретному ядру и получает возможность свободно перемещаться по всему объёму вещества. Из-за сложной формы орбиталей перекрытие в разных направлениях может отличаться, что делает движение электронов анизотропным. Слияние триллионов энергетических уровней огромного числа атомов формирует непрерывную зонную структуру.
Ключевым понятием зонной теории является энергия Ферми ($E_F$). По замечанию Роба Мура, природа невероятно ленива и всегда ищет состояние с наименьшей энергией, поэтому электроны последовательно заполняют самые нижние энергетические состояния. Самый верхний занятый уровень и называется энергией Ферми. Именно взаимное расположение энергетических зон и уровня Ферми определяет базовые свойства веществ:
- Проводники (металлы): Уровень Ферми пересекает зону проводимости, поэтому электронам требуется ничтожно малый импульс энергии, чтобы перейти в свободное состояние и создать ток.
- Диэлектрики (изоляторы): Нижняя валентная зона полностью заполнена, верхняя зона проводимости пуста, а между ними зияет огромная энергетическая пропасть — запрещённая зона.
- Полупроводники: Запрещённая зона имеет небольшую ширину, и электроны могут преодолеть её за счёт теплового движения или поглощения квантов света.
Помимо зонной структуры, свойства материалов определяются другими фундаментальными степенями свободы электрона: его зарядом, орбитальным моментом и спином (собственным моментом вращения, превращающим электрон в микромагнит и отвечающим за ферро- и антиферромагнетизм). Также важную роль играют фононы — коллективные колебания кристаллической решётки, которые можно представить как систему шариков на пружинках, переносящую тепловую энергию. Все эти «игроки» взаимодействуют друг с другом, определяя физику твердого тела.
🧪 Рецепт создания квантовых миров: молекулярно-лучевая эпитаксия и синхротроны 22:01
Экспериментальная программа, которой руководит Роб Мур, строится на выращивании материалов с атомной точностью и последующем детальном анализе их электронной структуры. Для синтеза применяется метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Спикер предложил простую аналогию: это очень похоже на обычное кипячение воды. Чистые химические элементы нагреваются в тиглях внутри специальной камеры, где откачан весь воздух и создан сверхвысокий вакуум, сопоставимый по давлению с условиями на поверхности Луны. Испаряемые атомы вылетают в виде пучков, оседают на подложку, перемещаются по ней и вступают в химическую реакцию, формируя идеальные кристаллические слои с абсолютно плоскими интерфейсами, которые невозможно встретить в дикой природе.
Для измерения полученных образцов исследовательский комплекс соединяют с синхротроном — Стэнфордским источником синхротронного излучения (SSRL). В огромное кольцо инжектируется сгусток электронов длиной около одного метра, который разгоняется до скоростей, близких к скорости света. Благодаря эффектам теории относительности, для внешнего наблюдателя этот электронный пучок сжимается до крошечных размеров. На прямых участках кольца установлены мощные системы магнитов (ондуляторы и вигглеры), которые заставляют электроны совершать резкие колебания, генерируя невероятно мощные и высокоэнергетические пучки рентгеновского и ультрафиолетового света.
Этот свет направляется на образец для проведения фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (АРПЭС / ARPES). Метод основан на фотоэффекте, за объяснение которого Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Энергетический фотон выбивает электрон из материала в вакуум. Специальный анализатор фиксирует кинетическую энергию и угол вылета (импульс) каждого электрона. Изменяя положение образца, учёные получают многомерную карту зонной структуры, буквально фотографируя квантовое поведение частиц с точностью до миллиэлектронвольт.
Такой подход необходим для изучения физики сильнокоррелированных систем. В одном кубическом сантиметре материала находится порядка $10^{23}$ атомов и электронов. Из-за колоссальной плотности их кулоновские взаимодействия порождают коллективные режимы работы электронов. Из этих коллективных эффектов рождаются удивительные эмерджентные явления — сверхпроводимость, мультиферроидное поведение и топологическая защита. АРПЭС позволяет увидеть чёткие «отпечатки пальцев» этих квантовых явлений в виде энергетических щелей, изломов зон (кинков) и реплик зон.
💡 Двумерный прорыв: переход к прямой запрещённой зоне в TMD-материалах 30:03
Роб Мур подробно остановился на различиях между прямой и непрямой запрещёнными зонами. В структурах с прямой зоной максимум валентной зоны находится строго под минимумом зоны проводимости. Поглощение света здесь происходит мгновенно и эффективно, так как фотон передаёт энергию, но почти не меняет импульс электрона. В непрямых зонах крайние точки смещены друг относительно друга, и электрону для перехода требуется одновременный толчок от колебания решётки (фонона).
Для объяснения этого взаимодействия спикер использовал баскетбольный приём «аллей-оп» (alley-oop). Один игрок бросает мяч в сторону кольца — у мяча правильная высота и энергия, но он летит мимо цели. Тогда второй игрок (выступающий в роли фонона) должен в прыжке подтолкнуть мяч прямо в корзину. Роб Мур признался, что сам абсолютно не умеет играть в баскетбол, но если бы ему разрешили сидеть прямо над кольцом, он забивал бы каждый раз. Именно это и происходит в материалах с прямой запрещённой зоной — они обладают максимальной квантовой эффективностью взаимодействия со светом.
Ярким примером стали дихалькогениды переходных металлов (TMD). В объёмном состоянии эти кристаллы практически не реагируют на свет. Однако если с помощью МЛЭ уменьшить толщину материала до одной элементарной ячейки — монослоя толщиной всего около 5 ангстрем — ситуация кардинально меняется. Измерения методом АРПЭС подтвердили гипотезу теоретиков: при переходе в двумерный предел энергетические зоны перестраиваются, превращая непрямую зону в прямую.
Напыляя на плёнку атомы калия, физики смогли добавить свободные электроны и искусственно поднять уровень Ферми, чтобы заглянуть в зону проводимости. В монослое TMD было обнаружено гигантское спиновое расщепление величиной около 100 милливольт. Электроны в одной из ветвей расщеплённой зоны оказались полностью спин-поляризованы в одном направлении, а в соседней — в противоположном. Из-за нарушения инверсной симметрии в двумерных TMD возникают изолированные энергетические «долины».
Спикер подчеркнул, что облучая материал поляризованным светом, учёные могут выборочно заселять конкретные долины и спиновые состояния. Это открывает путь к созданию долинной электроники (валлитроники) и спинтроники, позволяющих кодировать информацию по множеству независимых и энергоэффективных каналов.
🛡️ Топологические изоляторы: «дорожная карта» без аварий и квантовые кубиты 39:19
Ещё одним удивительным классом квантовых систем стали топологические изоляторы, возникающие в соединениях тяжёлых элементов с мощным спин-орбитальным взаимодействием. Внутри своего объёма (в так называемом «балке») такие материалы являются полноценными диэлектриками и не проводят ток, однако на их физической поверхности формируются проводящие металлические состояния.
Чтобы визуализировать этот феномен, можно представить сильное магнитное поле, заставляющее внутренние электроны вращаться по замкнутым круговым орбитам, не создавая чистого тока. Но на краях материала орбиты не могут замкнуться, из-за чего электроны начинают совершать последовательные прыжки вдоль границы, двигаясь строго в одном направлении.
Для иллюстрации топологической защиты Роб Мур привёл дорожную аналогию: в США и Канаде принято правостороннее движение, а в Великобритании — левостороннее. При проектировании моста, который должен соединить левосторонний Гонконг с правосторонним континентальным Китаем, архитекторы предложили изящную переплетающуюся конструкцию, которая разводит встречные потоки машин. Вы можете как угодно изгибать, растягивать или скручивать этот мост, но автомобили гарантированы от лобового столкновения, пока сама конструкция не разрушена. В этом и заключается суть топологической защиты.
На поверхности топологического изолятора спин электрона жёстко привязан к направлению его движения, образуя так называемый конус Дирака. Частицы на одной стороне конуса имеют один спин, а на противоположной — строго обратный, что полностью исключает их рассеяние назад или столкновение между собой. Они ведут себя как безмассовые фермионы, текущие без сопротивления.
В обычных объемных кристаллах дефекты решётки (например, вакансии селена) часто приводят к появлению избыточного заряда, который делает объём проводящим. Однако точечный эпитаксиальный синтез сверхтонких плёнок позволил команде Мура полностью подавить объёмную проводимость, изолировав чистые поверхностные состояния. Поверхностные электроны поразительно устойчивы к дефектам: они обтекают любые загрязнения на поверхности, словно вода, огигающая камень в ручье, совершенно их не замечая.
Тем не менее, как иронично отметил Роб Мур, «существует грязь, которую нельзя игнорировать». Если на поверхность попадает магнитная примесь, она нарушает симметрию к обращению времени. В этом случае электроны начинают хаотично рассеиваться, в конусе Дирака открывается энергетическая щель, частицы обретают массу, а идеальная поверхностная проводимость исчезает.
Помимо спинтроники, топологические изоляторы вызывают колоссальный интерес в сфере квантовых вычислений. Главным недостатком запутанных квантовых состояний (кубитов) является их экстремальная чувствительность к шумам внешней среды. Использование топологической защиты позволяет создавать кубиты, аппаратно защищённые от декогеренции, что минимизирует необходимость в сложных алгоритмах коррекции ошибок и открывает прямую дорогу к масштабируемым квантовым компьютерам.
⚡ Сверхпроводимость на грани фантастики: тайны железного селенида 48:51
Сверхпроводники способны проводить электрический ток с абсолютным нулём сопротивления, полностью исключая джоулевы потери тепла. Если бы удалось создать глобальные энергосети на основе сверхпроводников, это принесло бы человечеству колоссальную экономию энергии. Явление было открыто ещё в 1911 году, но лишь к 1957 году теория БКШ (Бардина — Купера — Шриффера) объяснила его механизм через электрон-фононное взаимодействие. Пролетающий через решётку лёгкий электрон слегка притягивает к себе тяжёлые положительные ионы. Когда он улетает, в этой области остаётся локальный избыток положительного заряда, который притягивает второй электрон. Так формируется связанная куперовская пара, а все пары конденсируются в единую квантовую волновую функцию, текущую сквозь кристалл без трения.
Открытие в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников на основе купратов разрушило рамки классической теории БКШ, поскольку её формулы не могли объяснить столь высокие критические температуры ($T_c$). Механизм их работы до сих пор остаётся одной из главных нерешённых загадок физики конденсированного состояния. В 2008 году было обнаружено новое семейство сверхпроводников на основе железа, обладающее крайне сложной электронной структурой, меняющейся при малейшем допировании.
Исследования Роба Мура сосредоточены на плёнках селенида железа (FeSe). Оказалось, что если уменьшить толщину FeSe до одного атомного слоя (одной элементарной ячейки) на титанате стронция, критическая температура сверхпроводящего перехода возрастает почти на порядок. При этом АРПЭС-анализ показал, что зонная структура монослоя кардинально отличается от объёмного кристалла.
В ходе этих экспериментов физики совершили случайное, но важнейшее открытие — они зафиксировали так называемые реплики зон. Это были точные энергетические копии основных зон проводимости, смещённые по оси энергии. В связи с этим Мур процитировал известного писателя-фантаста Айзека Азимова: «Самая захватывающая фраза, которую можно услышать в науке — та, что знаменует новые открытия, — это не „Эврика!“, а „Как странно…“».
Изучение реплик показало, что они являются прямым следствием уникального интерфейсного электрон-фононного взаимодействия между монослоем FeSe и подложкой. В отличие от обычного рассеяния, которое размывает импульс электронов в нечитаемое облако, здешние фононы подложки дают электронам вертикальный энергетический пинок, вообще не меняя направления их движения (так называемое рассеяние, сфокусированное вперёд).
Интерфейсное взаимодействие работает как сверхэффективный квантовый «клей», скрепляющий куперовские пары и резко поднимающий температуру сверхпроводимости. Самое примечательное, по мнению учёного, заключается в том, что в самом селениде железа нет ничего уникального: теоретические модели показывают, что этот трюк с интерфейсной инженерией можно использовать для усиления сверхпроводимости практически в любых низкоразмерных материалах.
🔮 На пороге квантовой эры: искусственный интеллект и открытая наука 57:05
Создание замкнутого цикла между прецизионным МЛЭ-синтезом, субмилливольтным АРПЭС-картированием и продвинутыми теоретическими моделями выводит науку на принципиально новый уровень. Роб Мур убеждён, что физика подошла к моменту, когда технологии роста и анализа материалов стали достаточно зрелыми для полноценного наступления квантовой эры.
Учёные переходят к этапу «обратного проектирования» с привлечением систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Вместо интуитивного перебора вариантов исследователи могут описать компьютеру желаемые квантовые свойства и особенности зонной структуры, а ИИ-алгоритмы сами рассчитают химический состав, подложку и шаги для выращивания нужного кристалла.
При этом спикер призвал к реалистичности: создание коммерческих приборов займёт десятилетия. Проводя аналогию с транзистором 1947 года, Роб Мур напомнил, что его создатели вряд ли могли вообразить, что их неуклюжая лабораторная конструкция со временем приведёт к появлению глобальных социальных сетей вроде Facebook или Twitter. Точно так же сегодня невозможно предсказать все плоды квантовой революции материалов. В завершение лекции Мур подчёкнул, что вся представленная фундаментальная наука финансируется государством, а значит, принадлежит обществу и должна служить решению его глобальных проблем. С этими словами учёный бросил свой надувной глобус в зрительный зал, символически передав инициативу аудитории.
В ходе сессии ответов на вопросы Роб Мур затронул несколько важных аспектов:
- Магнитные поля Земли и Марса: Отвечая на вопрос из Сети, влияет ли земной магнетизм на синтез квантовых материалов, учёный пояснил, что внутренние энергетические масштабы и локальные взаимодействия частиц внутри решётки на много порядков превосходят по силе слабый магнитный фон планет, поэтому условия Земли или Марса принципиально не изменят результаты экспериментов.
- Путь в науку через флот: Поделившись личной историей, физик рассказал, что начинал как инженер-механик, так как любил восстанавливать классические автомобили со своим отцом-педагогом. В поисках приключений он ушёл на пять лет на службу в Военно-морские силы США, став офицером на атомной подводной лодке USS Alaska. Именно там его неутолимое любопытство и желание понять, как устроен мир «на самом глубоком уровне», привели его к профессиональному изучению физики.
- Сила межфазных границ: Спикер уточнил, что простое увеличение толщины плёнок возвращает их к свойствам обычных объемных кристаллов. Вся магия и появление эмерджентных свойств происходят исключительно на атомарно тонких границах раздела (интерфейсах) разнородных материалов, где их внутренние степени свободы намертво переплетаются друг с другом.
- Смена научной парадигмы: Физик выделил важный сдвиг — если раньше эксперимент всегда опережал теорию (поскольку природа регулярно подкидывала факты, опровергающие формулы), то в случае с топологическими изоляторами именно чистая теория сначала полностью предсказала свойства материалов и указала экспериментаторам, что и где искать. Этот триумф прогностической силы теории доказывает, что человечество действительно научилось проектировать будущее на квантовом уровне.
