О графене, квантовой физике и почему невозможное – возможно

Доцент кафедры теоретической физики и волновых процессов ВолГУ Ольга Сергеевна Лебедева занимается изучением графена. В далекие студенческие годы, когда ее сверстники, желая заниматься чем-то масштабным и великим, выбирали в качестве предмета изучения астрофизику, Ольга Лебедева пошла обратным путем, будучи уверенной, что путь миниатюризации позволяет найти Вселенную в каждой частичке.

– Кто вдохновил Вас на изучение свойств графена?

– Лекция Ричарда Фейнмана. Он говорил: «Внизу много места. Добро пожаловать в новую область физики,  я покажу ее вам». В настоящее время это всем известные нанотехнологии. В 2010 году я совместно с моим научным руководителем выбрала для исследования физику низкоразмерных структур, а именно графен, потому что в то время был графеновый бум в наноэлектроники. В том же году наши соотечественники Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию за исследование свойств графена. Захотелось понять, что же в нем такого необычного, особенного.

– Что из себя представляет графен?

– Не многие знают, что с графеном мы сталкиваемся каждый день. Грифель обычного карандаша состоит из графита, а один из его атомных слоёв и есть графен. Если этот слой отделить, он начинает проявлять уникальные свойства. В этом-то и специфика нанотехнологий, когда мы миниатюризируем, то практически открываем новую Вселенную. Графен – материал очень тонкий, легкий, прочный и высокопроводящий. За счет такой высокой проводимости графену пророчили и пророчат великое будущее в наноэлектронике.

– Какие интересные особенности графена?

– У графена наблюдается такой интересный эффект, как будто бы зеркальный. Его выдающиеся свойства, к сожалению, влекут за собой недостатки в процессе его интеграции в различные устройства и приборы. Мне и моему научному руководителю пришла в голову идея: для ликвидации этих недостатков было бы очень здорово контролировать свойства графена прямо в ходе работы прибора на его основе. То есть создать какой-то контроль, который позволяет управлять как его достоинствами, так и недостатками. И такие способы мы нашли, их два: деформация структуры и примеси, привнесенные в графен. Управляя двумя этими процессами, мы можем подчинить проводимость графена, менять ее значения и управлять ею.

– А что такое нанооригами?

– Расскажу. Любой объект, даже биологический, тот же человек, обладает следующим свойством: если на него оказывать какое-то давление, то возникает естественное внутреннее сопротивление. Похожая история происходит и с графеном. Когда мы деформируем его структуру, в нем меняется внутреннее сопротивление. Но сопротивление – величина обратная проводимости, то есть проводимость меняется тоже. Ученые для популяризации назвали этот эффект нанооригами. Это процесс создания складок и деформаций поверхности графена, которые меняют величину сопротивления и, соответственно, проводимость тоже. И на таком эффекте основана работа многих устройств. Эффект называется пьезорезистивный. На этом эффекте работают транзисторы, резисторы, пьезорезистивные сенсоры, датчики давления и другие. И даже есть целое направление, которое как раз занимается изучением и выявлением новых эффектов в веществе под действием деформаций. Называется оно стрейнтроника. В этой области знания мы работаем вместе с моей научной группой. Но мы пошли дальше. В 2013 году исследователями путем численного компьютерного моделирования было предсказано существование более 90 кандидатов на замену графена.

– Вас можно назвать предсказателями…

– В какой-то степени да. Мы пока проводим не практический, а компьютерный эксперимент. Но теоретические работы учёных уже позволили предложить структуру таких материалов, и они могут быть синтезированы. Некоторые из них еще не были получены, но физики-теоретики нам сказали: «Они вполне могут существовать, давайте попробуем их создать».

– Более чем 90 кандидатов – это много…

– Много. Кандидатов на замену графена объединяют уникальные свойства, их назвали материалами графеновой группы. Они тоже представляют собой монослой, состоящий из атомов различных элементов, и обладают очень высокой проводимостью. Но, прежде чем их создавать, неплохо было бы, конечно, все это изучить теоретически, так как их объединяют не только выдающиеся свойства, но и дороговизна синтеза. Если разрабатывать приборы на их основе, нужно изначально предсказать ход работы такого прибора.

– И в чем состоит Ваша глобальная задача как физиков-теоретиков?

– Мы можем путем компьютерного моделирования определить, какие свойства будут проявлять графен и его аналоги, предложить принципиальные схемы работы приборов на их основе, рассчитать, как будет меняться проводимость и, соответственно, даже предложить количественную калибровку приборов. Мы сейчас этим занимаемся, демонстрируем свои результаты на российских конференциях, и встречаем хороший отклик с перспективой дальнейшего сотрудничества. Я думаю, что в будущем в коллаборации с экспериментаторами-физиками мы можем создать такой прибор. У нас уже есть конкретные предложения…

– Расскажите об этом приборе.

– Этот прибор будет работать на эффекте пьезосопротивления, но базовым элементом будет выступать один из аналогов графена, такого кандидата мы выберем. То есть отдельная ветвь наших исследований – выбор лучшего из кандидатов на аналог графена. Некоторые такие материалы уже синтезированы – фосфорен, в своей основе имеющий атомы фосфора, станен – атомы олова, силицен – кремния, германен – германия.

– А у Вас закрадывалась мысль сделать самим такой прибор?

– Честно – да, у меня была идея создать практическую базу. Когда я была помоложе и понаивнее, я говорила такие громкие слова, что элементы наноэлектроники будущего будут в основе создания даже аналога Кремниевой долины (кремний в основе полупроводниковых устройств), а мы пойдем дальше и создадим такие приборы, в основе которых будут лежать материалы графеновой группы.

– А сейчас Вы не считаете, что такое возможно?

– Невозможное возможно! Возможно все! Я считаю, что ученые обязаны мечтать. Без великих целей мы мало чего можем достичь. То, чем сейчас располагает современная наука, в какое-то время считали сумасшествием. Ученые обязаны ставить нереальные цели, очень сложные для выполнения. Нужно видеть мечту и будущее.

– Как Вам, молодой маме, удается совмещать работу и воспитание ребенка?

– Мне не удается совмещать этот сложный процесс. Многозадачность – это не про меня. У меня великолепный сын, он тоже увлекается наукой. Он во втором классе участвует в конференциях. Я постепенно прививаю ему интерес к науке. Хочу, чтобы он разносторонне развивался.

– Какой Ваш главный принцип воспитания? 

– Как известно, дети отрабатывают ошибки и сомнения родителей, у них выбора нет. Я считаю, что родительская задача – не ограничивать возможность выбора. Я вспоминаю свои далекие 17 лет, в момент поступления в вуз я не определила для себя, что делаю выбор всей своей жизни сейчас и немедленно, наоборот, я решила, что, поступая в университет, даю себе возможность выбора. И нужно искать самый широкий спектр возможностей выбора. Я хочу сейчас это объяснить своему ребенку.

Конечно, воспитание ребенка отнимает огромное количество времени, очень энергозатратный процесс, нужно находить время на то, чтобы говорить с ним в какой-то момент как с другом, в какой-то как родитель. Все его проблемы обсуждать с ним, спрашивать, что его заботит, поэтому сложно это сочетать с работой, но я ребенка интегрировала в этот процесс, он посещает со мной все мои научные конференции, я с ним езжу на его детские. У нас сотрудничество.

– Супруг поддерживает?

– Да, муж поддерживает. Раньше он был моим научным руководителем, а сейчас я смеюсь, говоря супругу: «Вы уже не мой научный руководитель, вы теперь – консультант». Друзья шутят: «Вам слава Пьера и Мари Кюри не дает покоя?» Ну а почему бы и нет? Почему бы не сделать любовь к науке преемственностью? Я понимаю, наука – непростой путь для мужчины, поэтому я хочу сделать для сына науку – одним из путей выбора. Пусть заинтересуется, пусть посмотрит… Моя задача показать, предложить…

– Как Вы увлеклись физикой? Для девушки это достаточно редкий выбор…

– Да. Особенно во времена моей учебы было мало девочек в группе. Выбор в то время не был осознанным до конца. Я всегда отчасти завидовала тем, кто знает свое предназначение с детства и планомерно идёт к своей мечте. У меня не было такого. Я больше ориентировалась на эмоциональную сферу. В юности было обостренное чувство справедливости, и хотела поступать на юриспруденцию, но пришлось изучать законы в области физики. Выбор был спонтанным. Но хочу сказать спасибо своей кафедре теоретической физики и своему научному руководителю – они умеют увлечь, умеют показать этот мир совсем с другой стороны. Возникло стремление посмотреть на другие миры: хоть в малом, хоть в большом, в них отображаются законы Вселенной, это здорово. За этим научно-технический прогресс. И пришло понимание того, что это очень интересная область знаний, она расширяет горизонты сознания. Было интересно остаться в этой области, продолжать дальше.

– Какая Ваша любимая цитата на сегодняшний день?

– «Всякое приспособление есть потеря индивидуальности» – это З.Фрейд, немного перефразированный. Я думаю, что в центре любого знания должен быть гуманизм и человек. Но, наверное, нужно вдохновляться потребностями, а не подстраиваться под них. И еще забавной показалась цитата Стивена Хоккинга о том, что в точке Большого взрыва не работают никакие законы физики и только Богу дано право определять, какими будут законы Вселенной. Это сказал великий ученый физик-теоретик с мировым именем. К такому выводу приходят люди, которые, казалось бы, должны быть аналитикам, прагматиками, циниками. И я согласна с этим. Есть такая область, до которой человечество пока не дошло, которую надо оставить на Бога, Высший разум, Вселенную, духовную сферу, как хотите называйте... и как здорово, что она еще есть! Меня это вдохновило.

– Вы с квантовой физикой пересекаетесь?

– Вы попали прямо в точку. Как раз квантовые методы физики лежат в основе наших исследований, мы используем их для расчётов. В микроскоп наночастицы не увидеть, там другое разрешение, необходимо ион оборудование и методы расчётов. То, чем я занимаюсь, скорее можно назвать квантовой химией. Коллеги мои смеются: игра слов похожих областей физики, а занимаемся мы похожими теориями: вот химическая физика от физической химии чем отличается? В области квантовой химии или квантовой физики схожие методы исследования, но, наверное, немного разный подход к ним и решаются разные задачи.

– А как же функция Наблюдателя?

– Вы имеете в виду Кота Шрёдингера? В каждой частичке Вселенной, в квантовом мире все работает по-другому… Рассказы про кота Шрёдингера и наблюдателя популяризируют направление квантовой физики. Без философии мы вообще никуда, это наука всех наук и она была первичной, это потом уже появилась физика. Считаю, что философию каждый должен изучать. Научно-популярные рассказы привлекают интерес широкой аудитории к квантовым методам исследования. Один знакомый профессор, к сожалению, он уже в другом мире, заявлял про атеистов: «А квантов-то они не знают…» Некоторые закономерности квантового мира, действительно, кажутся нам волшебными. Для верующих людей волшебство связано с Создателем, Всевышним. Если рассматривать с физико-математической и аналитической точки зрения, там заложены несколько другие законы, например, что нельзя наблюдать электроны, не изменяя их свойств, и так далее. Такое есть и связано с Наблюдателем. Много есть интересных моментов, под которые можно и нужно подвести базу, особенно с научно-популярной точки зрения. Науку необходимо популяризировать, не считать что-то абстрактно у себя в кабинете, а общаться и рассказывать об интересных областях знаний обществу, нести знание людям и уметь говорить об этом простым языком. Знаете, как сложно общаться, особенно с маститыми профессорами, которые изъясняются терминами, сложно перевести их широкий пласт научного знания на понятный язык. Но задача ученых и педагогов – доносить доступным языком информацию и объяснять, зачем это нужно для человечества.

– Где берете силы для науки?

– Горный туризм для себя открыла. Говорят: «Влюбляются либо в горы, либо в море», импонирует природа, путешествия. Это как астрофизика и нанотехнологии, разные области, но обе интересны по-своему. Как с людьми надо говорить на понятном им языке, так и дух гор необходимо понимать. Мы в горах – гости, должны с уважением относиться к природе, соблюдать определенные правила. Еще привлекает фридайвинг в последнее время. Это связано с моими страхами, я боюсь глубины, а, как известно, мы находим свои точки роста через встречи со страхами.

Я считаю, что с какого-то возраста у человека происходит перезагрузка и начинается новый поиск себя. Мне сейчас очень любопытно с собой знакомиться, я все-таки изменилась со времён восторженной юности, наполненной увлечениями. Ты смотришь на это по-другому, причем, с другого ракурса, становятся понятны вещи, которые раньше были неочевидны. Даже книги юности читаются по-другому. Мне сейчас интересно себя поискать с психологической точки зрения. 

– Планы на ближайшее будущее?

– Хочется вывести наше исследование на другой уровень в рамках университета и перевести в практическую плоскость, расширить сотрудничество с экспериментаторами, возможно, даже подумать над созданием приборной базы. Это было бы здорово. Почему бы и нет? Задачи надо ставить широкомасштабные, цели – высокие.

Ольга Редкозубова

Материал опубликован в рамках акции Минобрнауки РФ #МолодыеУченые

Справочно:
Ричард Филлипс Фейнман – американский физик-теоретик, известный своими работами в области интегральной формулировки квантовой механики, теории квантовой электродинамики, физики сверхтекучести переохлажденного жидкого гелия, а также работами в области физики элементарных частиц, для которых он предложил модель Партона.