В Физическом институте им. П.Н. Лебедева состоялись XXXVIII Вавиловские чтения, на которых были представлены новые работы в области изучения люминесценции.
С именем Сергея Ивановича Вавилова для ФИАН связано очень много.
Он был первым директором Физического института[1]. Ему же принадлежала инициатива присвоить институту имя П.Н. Лебедева, научным «внуком» которого являлся Сергей Иванович.
Именно С.И. Вавилов поставил цель создать не просто «еще один хороший» Институт, но уникальный в своем роде, не имеющий аналогов не только в России, но и во всем мире, полифизический институт, в котором сочетались бы основные направления современной физики, и при этом каждое направление возглавлялось бы первоклассным специалистом. И, как показала дальнейшая история развития ФИАН и его современный имидж, Вавилову это удалось. Для реализации своей идеи Сергей Иванович собрал коллектив блестящих ученых. Л.И. Мандельштам, Д.В. Скобельцын, В.И. Векслер, С.Н. Вернов, И.М. Франк, П.А. Черенков, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм и многие другие, чьи имена хорошо известны в физическом мире, все они работали в ФИАН в разное время. И во многом этому способствовала та атмосфера «науки прежде всего», которую удалось создать С.И. Вавилову. Некоторых из этих ученых Сергей Иванович уговаривал всеми силами и столько времени, сколько было необходимо, чтобы они наконец-то согласились…
Можно только догадываться, каких усилий – душевных, научных и дипломатических – стоило Сергею Ивановичу сохранение этой атмосферы в непростые послевоенные годы, когда по стране вовсю начался разгул лысенковщины.
Однако Сергей Иванович был не только хороший организатор науки, но и прекрасный ученый-физик.
Основные его работы были посвящены физической оптике, отдельной любовью на всю жизнь стала люминесценция. Он является одним из основателей нелинейной оптики. Под его непосредственным руководством П.А. Черенков открыл свечение чистых жидкостей под действием гамма- и бета-излучения. Впоследствии, уже после смерти Сергея Ивановича П.А. Черенкову была присуждена (совместно с И.Е. Таммом и И.М. Франком) Нобелевская премия «За открытие и объяснение эффекта Черенкова». Однако сам Павел Алексеевич неоднократно подчеркивал, что только благодаря руководству С.И. Вавилова возможно было и это открытие, и дальнейшие работы по интерпретации.
Без его деятельного участия и активной поддержки в свое время в ФИАН не были бы столь основательно развиты такие направления, как исследование космических лучей, лазерная и ядерная физика, и многие другие. Конечно, нельзя утверждать, что все эти работы велись при непосредственном участии Сергея Ивановича как научного руководителя, но его поддержка, готовность обеспечить исследования необходимыми специалистами или оборудованием требовали не просто «эффективного менеджмента», как принято говорить сейчас, но, прежде всего, понимания важности и актуальности этих исследований, что под силу только настоящему ученому.
Помня о роли С.И. Вавилова в жизни Института и российской/советской науки в целом, ежегодно в ФИАН проводятся Вавиловские чтения, которые являются не просто данью памяти великому ученому, но и научной конференцией, на которой обсуждаются те научные исследования, которые явились продолжением, развитием заложенных Сергеем Ивановичем работ. Особой традицией Вавиловских чтений, которой по праву гордятся организаторы, является принцип постоянной новизны: каждые Чтения представляют только новые, ранее не рассматриваемые на них работы. За столь длительный срок, а это без малого 40 лет, еще ни один доклад не повторился!
Осознавая этот факт, поражаешься, каким научным предвидением, какой научной интуицией обладал С.И. Вавилов, если работы, начатые им и его учениками, остаются не просто актуальными и по сей день, но на острие науки.
На очередных XXXVIII Вавиловских чтениях были представлены доклады, посвященные экситонам и полупроводниковым светодиодам, а также их применению.
Доклад профессора Аграновича В.М. из Института спектроскопии РАН был посвящен гибридным экситонам. Начало этим исследованиям положили работы ученика С.И. Вавилова, М.Д. Галанина, который во всем мире известен своими теоретическими и экспериментальными работами по исследованию переноса энергии электронного возбуждения в конденсированных средах.
Известны экситоны трех типов. Первые, экситоны с малым радиусом – экситоны Френкеля и экситоны с переносом заряда, типичны для органических материалов и являются важными для создания многих устройств (органические светодиоды и др.) Вторые, экситоны Ванье-Мотта, обладают намного большим радиусом, чем первые, и характерны для неорганических полупроводников, которые создают основу современной полупроводниковой промышленности.
Наибольший же интерес представляют гибридные экситонные структуры, строящиеся на основе взаимодействия неорганических и органических экситонов. При обеспечении условия их взаимодействия возникают состояния, которые обладают уникальными свойствами, использующими сильные стороны органических и неорганических материалов.
Доклад член-корреспондента РАН, профессора Кулаковского В.Д. также был посвящен экситонам, а точнее – мультистабильности экситон-поляритонных систем в полупроводниковых резонаторах.
Отдельный интерес вызвал доклад профессора МГУ Юновича А.Э. о полупроводниковых светодиодах и перспективах их применения. Исторический экскурс в развитие светодиодной техники, сделанный Александром Эммануиловичем, позволил еще раз оценить тот огромный вклад, который внесли советские и российские ученые в это направление. Успехи российских ученых в этой области были таковы, что уже более 10 лет назад их разработки нашли практическое применение в нашей повседневной жизни. Однако все существующие и, следует отметить, хорошо развитые направления в области светодиодной техники связаны с монохромными светодиодами. Но наиболее актуальными на сегодняшний день являются работы по созданию светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия. Об особенностях светодиодов подобного типа, об успехах зарубежных и российских ученых и рассказал Юнович А.Э.
В заключение официальной части Вавиловских чтений руководитель оргкомитета, профессор Витухновский А.Г. сказал:
«Закрывая очередное заседание Вавиловских чтений, хотелось особенно подчеркнуть, что актуальность научных работ, начатых еще Сергеем Ивановичем и его учениками, как мы могли сегодня увидеть, не только не ослабла, но стала еще более явной. Наши докладчики показали, что время не властно над трудами таких ученых, каким был С.И. Вавилов. А потому, смею надеется, что и в следующем году, на очередных Вавиловских чтениях, также соберется немало участников, а доклады не потеряют своей научной остроты и актуальности».
Любченко Е., АНИ «ФИАН-информ»
[1] Официально датой создания ФИАН считается 28.04.1934 г., когда Постановлением АН СССР было произведено разделение Физико-математического института АН СССР на два отдельных института, известных ныне как ФИАН и МИАН. ФИАН возглавил, соответственно, руководитель Физического отдела прежнего, Физико-математического, института С.И. Вавилов к тексту
27 марта 2013 года, в ФИАНе, состоялись очередные, XXXVII Вавиловские чтения. В рамках этого события с докладом «Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты» выступил профессор физического факультета МГУ Д.Р. Хохлов. В своем докладе он рассказал о необычных свойствах легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца и о том, как эти свойства могут быть использованы для построения чрезвычайно чувствительных фотоприемных систем терагерцового спектрального диапазона.
Терагерцовый диапазон электромагнитных волн является одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области плохо работают как радиофизические методы – со стороны более длинных волн, так и оптические – со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения терагерцового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радио-диапазонов. С другой стороны, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем данного спектрального диапазона. В частности, большинство взрывчатых веществ состоит из тяжелых органических молекул со своими характерными спектрами поглощения и отражения, мониторинг которых позволит, например, вывести на новый уровень системы безопасности в аэропортах и в других общественных местах.
Большинство современных спектроскопических систем терагерцового диапазона используют метод активной локации, когда исследуемый объект освещается мощным лазерным терагерцовым импульсом, и исследуется сигнал, отраженный от объекта или прошедший через него. Пассивные системы, которые исследовали бы излучение терагерцового диапазона, испущенное собственно объектом, практически отсутствуют. Основная причина этого – малая чувствительность соответствующих приемников излучения. В то же время использование таких систем, безусловно, открыло бы принципиально новые возможности во многих областях деятельности, в частности, медицинские приложения. Одной из важнейших областей возможного применения высокочувствительных приемников терагерцового излучения является терагерцовая астрономия. В рамках этого направления в 2018 году планируется запуск космической терагерцовой обсерватории «Миллиметрон». Проект осуществляется под руководством Астрокосмического центра ФИАН.
Существующие высокочувствительные приемники терагерцового излучения, построенные на основе сверхпроводящих технологий, имеют серьезные ограничения по своему использованию, основным из которых является чрезвычайно низкая рабочая температура, необходимая для обеспечения требуемых параметров фотоприемника – не более нескольких десятков милликельвинов. В докладе были показаны новые возможности, открывающиеся для этих целей при использования легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца.
Свойства этих материалов определяются двумя эффектами. Первый из них – стабилизация уровня Ферми во вполне определенном месте энергетического спектра полупроводника, что приводит к парадоксальному следствию – чрезвычайно высокой пространственной однородности электрофизических свойств материала, которая наблюдается несмотря на высокую степень дефектности полупроводника и на сильное легирование. В частности, при определенных составах сплава уровень Ферми может быть стабилизирован внутри запрещенной зоны, что приводит к появлению полуизолирующего состояния, совершенно нехарактерного для нелегированного материала.
Второй эффект – это задержанная фотопроводимость, наблюдающаяся в этих полупроводниках при низких температурах. Необходимо отметить, что впервые этот эффект наблюдался группой Б.М. Вула в ФИАНе в конце 70-х годов. Эффект заключается в том, что при слабом инфракрасном освещении полупроводника фотовозбужденные носители заряда практически не рекомбинируют, – время их жизни превышает характерное время гелиевого эксперимента. Это приводит к чрезвычайно высокой амплитуде фотоотклика, несмотря на весьма слабую интенсивность падающего излучения.
Часть доклада была посвящена последним результатам, полученным в этой области. В частности, было показано, что спектр фотопроводимости материала простирается далеко в терагерцовую спектральную область. Значительный фотоотклик наблюдался, по крайней мере, до длин волн около 500 мкм. Значение соответствующей энергии кванта излучения существенно ниже любых характерных энергий электронного спектра материала: ширины запрещенной зоны, энергии активации основного примесного состояния, и т.д. Было продемонстрировано, что задержанная терагерцовая фотопроводимость в Pb1-xSnxTe(In) связана с формированием необычных локальных электронных состояний, привязанных не к определенному месту энергетического спектра полупроводника, а к положению квазиуровня Ферми. По мнению профессора Д.Р.Хохлова, «такая ситуация является совершенно нетрадиционной в физике твердого тела, и потому является весьма интересной с фундаментальной точки зрения».
Одной из немногих известных аналогий является появление щели в спектре одноэлектронных возбуждений на уровне Ферми в сверхпроводниках.
Если продолжать аналогию со сверхпроводниками, то было бы естественным предположить, что наличие таких локальных состояний может подавляться магнитным полем, либо протекающим током. В докладе было продемонстрировано, что появление локальных электронных состояний, ответственных за терагерцовую задержанную фотопроводимость, действительно подавляется электрическим током (рисунок 1). В то же время ожидаемого подавления этих локальных состояний магнитным полем не зарегистрировано. Напротив, наблюдается эффект резонансного типа, причем магнитное поле, соответствующее максимуму фотопроводимости, пропорционально энергии кванта возбуждающего терагерцового излучения (рисунок 2).
Использование эффекта задержанной терагерцовой фотопроводимости в реальных фотоприемных устройствах возможно только в случае, если имеется способ быстрого гашения задержанной фотопроводимости. В докладе было продемонстрировано, что приложение к образцу коротких (длительностью около 100 нс) радиочастотных импульсов может полностью погасить задержанную фотопроводимость. В таком случае появляется возможность построить терагерцовое фотоприемное устройство, работающее в режиме периодического накопления и последующего быстрого сброса фотосигнала. В докладе было показано, что в таком режиме величина NEP фотоприемника, работающего при гелиевой температуре, составляет около 10-17 Вт/Гц1/2, что вполне достаточно для построения терагерцовой фотоприемной системы для пассивной локации. Более того, эта система, состоящая из одиночного фотоприемника и оптико-механического сканера, в настоящее время разрабатывается (рисунок 3). Система позволит создавать пассивную терагерцовую «картинку» объекта, находящегося при температуре вблизи комнатной, за время порядка 40 с. Кадр будет содержать примерно 2·104 элементов. Длина волны, на которой будет формироваться изображение, может изменяться от 10 до 350 мкм в зависимости от выбора терагерцового фильтра.
В.А.Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
11.06.2013
