В этом году в число нобелевских лауреатов по химии вошел советский ученый Алексей Иванович Екимов. Это, безусловно, значимое событие для российской науки, поэтому нам было интересно подробнее узнать о жизни, работе и карьерном пути Алексея Екимова. Об этом порталам Indicator.Ru и Inscience.News рассказал коллега нобелевского лауреата, профессор кафедры физики твердого тела СПбГУ Вадим Фадеевич Агекян.
— Что Вы знаете о жизненном пути Алексея Ивановича Екимова?
— У меня в руках книга, которая называется «Научная школа Е. Ф. Гросса». Мы ее выпустили к 70-летию кафедры физики твердого тела. На этой кафедре учился Алексей Иванович Екимов. Если открыть страницу, посвященную выпуску 1967 года, вы увидите в числе 22 выпускников его фамилию. После окончания Ленинградского государственного университета Алексей Иванович поступил в нашу аспирантуру, а затем был принят в Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе АНСССР. В конце 70-х годов он перешел в Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова, а в середине 80-х годов вернулся в ФТИ. В 1999 году его пригласили в американскую компанию Nanocrystals Technology, где он занимался прикладными вопросами в рамках той темы, которую развивал на родине.
— Можете ли вы рассказать, за что Алексей Иванович получил Государственную премию, еще до открытия квантовых точек?
— Когда Алексей Иванович поступил в ФТИ, руководителем научной группы, в которой он стал работать, был еще один выпускник нашей кафедры, мой сокурсник Вячеслав Иванович Сафаров. Этот коллектив занимался оптической ориентацией в полупроводниках. Суть этого эффекта состоит в том, что, если направить на полупроводниковый кристалл поляризованный луч света от какого-то источника, например от лазера, такой свет выстраивает магнитные моменты электронов и ядер. Таким образом, с помощью света можно намагничивать кристалл, а по излучению кристалла — его люминесценции — можно определить: насколько сильно намагничен кристалл, как его намагниченность зависит от температуры и так далее. За эти работы сотрудники ФТИ, в числе которых был Алексей Иванович Екимов, в 1976 году получили Государственную премию СССР.
— Расскажите теперь о работе, за которую Алексею Ивановичу присудили Нобелевскую премию.
— Во время своей работы в Государственном оптическом институте Алексей Иванович Екимов занимался уже не только физикой, но и химией. Его работа в соавторстве с Алексеем Аркадьевичем Онущенко была опубликована в 1981 году в журнале «Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики». В этот журнал обычно представляли короткие статьи, которые хотелось опубликовать как можно быстрее. Работа Екимова и Онущенко называется «Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников». Вслед за этим ими была опубликована еще одна статья, которая называется немного иначе: «Квантовый размерный эффект в оптических спектрах полупроводниковых микрокристаллов». Здесь слово «трехмерные» авторы убрали для того, чтобы подчеркнуть, что теперь они имеют дело с кристаллом, который по сути не является трехмерным. Это так называемый «нульмерный» кристалл: он настолько мал, что электроны и дырки в нем двигаются в очень ограниченном пространстве. И такие нанокристаллы, содержащие всего лишь сотни или тысячи атомов, назвали квантовыми точками. Это, конечно, не точка в математическом смысле, а просто очень маленький объект. Важнейшее свойство таких нанообъектов — это то, что система электронных уровней, которая определяет их спектры поглощения и излучения, зависит от их размера. Если взять, например, крупный макроскопический кристалл, разделить его пополам, то свойства каждой половинки будут точно такими же, как свойства целого кристалла. Но, если кристалл будет достаточно малым, то, меняя его размеры, мы можем изменять энергию его электронных уровней. При этом уровни смещаются друг относительно друга, и изменяются частоты, на которых кристалл поглощает и излучает свет.
Алексей Иванович Екимов вырастил микрокристаллы в стеклянной матрице, то есть создал квантовые точки, от размера которых зависело то, каким будет их спектр излучения и поглощения. Регулировать размер этих точек можно с помощью отжига. Стеклянную матрицу нагревают до температуры, близкой к температуре плавления, но такой, чтобы матрица оставалась твердой. При этом атомы приходят в движение и образуются нанокристаллы, которые постепенно увеличиваются в размерах. Таким образом, меняя температуру и длительность отжига, можно контролировать их размеры. В результате из одной и той же исходной матрицы можно получить образцы с разными по величине квантовыми точками, а, значит, и с разными спектрами поглощения и излучения.
— Расскажите, в какой период жизни Вы были знакомы с Алексеем Ивановичем Екимовым? Насколько близко Вы знали друг друга?
— Я с Алексеем Ивановичем нечасто встречался, когда он был студентом. В то время я был научным сотрудником Ленинградского государственного университета, занятия со студентами не вел, лекции не читал. Но мы с ним часто виделись позже, когда Алексей Иванович работал в ФТИ имени А. Ф. Иоффе АН СССР, поскольку я тоже занимался оптической спектроскопией полупроводников. Мы с ним и с его руководителем Вячеславом Ивановичем Сафаровым обсуждали некоторые вопросы, в определенной степени у нас были общие профессиональные интересы. После того, как Алексей Иванович уехал за рубеж, связь с ним поддерживалась по переписке.
— Как бы Вы могли описать его как человека? Были ли у него какие-то яркие качества?
— Алексей Иванович — человек очень простой в обращении, располагающий к себе. Я не замечал у него каких-то особенных запросов и амбиций. Отпуск он любил проводить где-то на Севере, в частности, с одним моим сокурсником они ездили в район острова Кижи, жили там, рыбачили, катались на лодках. Екимов любил Север, рыбалку и охоту.
— А чем он выделялся в профессиональной сфере? Что, на Ваш взгляд, сыграло важную роль в том, что Алексей Иванович совершил открытие, за которое ему в этом году присудили Нобелевскую премию?
— Я считаю крайне важным то, что он умел понять суть тех явлений, которыми занимался. Если вы пролистаете две его работы, которые легли в основу решения о присуждении Нобелевской премии, то увидите, что каждая из них занимает всего несколько страниц довольно простого текста. А ведь это принципиально важные результаты, из которых возникло целое направление в физике полупроводников. Вот такие простые на вид работы иногда и становятся импульсом для развития науки. Интересно еще то, что матрицы с нанокристаллами, которыми занимался Екимов, делали и до него, но при этом люди не понимали, что лежит в основе тех оптических свойств, ради которых их создавали. Ленинградское оптико-механическое объединение («ЛОМО») создавало много разных оптических деталей и систем, в том числе цветные фильтры. Для их производства в стеклянную массу вводили определенные добавки, плавили ее и охлаждали. В зависимости от того, как долго выдерживали после этого стекло при высокой температуре, оно приобретало разный цвет. Это похоже на процедуру, которую использовали Екимов и Онущенко, с той разницей, что они вели работу целенаправленно и объяснили суть полученного эффекта.
Очень важно то, что Алексей Иванович находился в «правильном» окружении. Если человек обладает какими-то способностями, например к музыке, живописи, к естественным наукам, ему еще важно попасть в среду, которая будет способствовать его развитию. В этом очень важную роль играет то, что называется научной школой. Такая школа была фактически создана основателем и руководителем нашей кафедры Евгением Федоровичем Гроссом. Из стен нашей кафедры вышли академики, и члены-корреспонденты Академии Наук, лауреаты Государственной премии, Ленинской премии, а теперь появился еще и Нобелевский лауреат.
— Приезжал ли Алексей Иванович в Россию после отъезда, встречались ли Вы с ним?
— Я не знаю, приезжал ли он потом в Россию, мы с ним после его отъезда не встречались, только иногда переписывались. С теми россиянами, которые работают в Европе, мы встречаемся, они приезжают в Россию, Америка слишком далеко.
— Расскажите об ученых, получивших Нобелевскую премию вместе с Алексеем Екимовым.
— Мунги Бавенди родился во Франции, переехал в Америку, учился в Гарварде и работал в Массачусетском технологическом институте. По сути, он занимался тем же, чем и Екимов, может, с той разницей, что к моменту его нобелевских исследований технология была уже лучше развита. Работы Бавенди появились позже, чем статьи Екимова, так что из трех нобелевских лауреатов Алексей Иванович, безусловно, пионер. В то время, в 80-е годы, люди не всегда быстро узнавали о работах, которые проводили ученые других стран, поэтому американский физик не знал о результатах, полученных Екимовым. Он выполнил аналогичную работу независимо, с усовершенствованной технологией на несколько лет позже. Третий нобелевский лауреат — Луис Брюс — занимался нанокристаллами другого типа. Алексей Иванович Екимов получал квантовые точки в стекле, и, поскольку они заключены в твердый материал, ими как-либо манипулировать невозможно. Луис Брюс разработал способ выращивания нанокристаллов в коллоидной системе с помощью химической реакции. Коллоид — это мягкая среда, напоминающая по консистенции студень. Туда можно ввести определенные химические элементы, которые, реагируя друг с другом, образуют нанокристаллы. Нанокристаллы можно извлечь из коллоида и использовать для определенных целей. Например, их можно присоединять к полезным молекулам, которые вводятся в живые ткани. Поскольку такой нанокристалл светится под воздействием внешнего излучения, он может служить своего рода маркером, по которому удобно отслеживать, в частности, перемещение лекарств в теле человека.
— Почему, на Ваш взгляд, Нобелевский комитет выбрал именно работы по квантовым точкам?
— Думаю, выбор определялся тем, насколько быстро и широко стало развиваться это научное направление и его прикладные аспекты. Если посмотреть журналы, в которых публикуются статьи по физике твердого тела, можно убедиться в том, что за последние 20 лет появилось огромное количество статей, посвященных исследованию нанокристаллов. Они используются в биологии, физиологии в медицине, в таких физических приборах, как полупроводниковые лазеры, солнечные батареи, различные детекторы. Дело в том, что система с квантовыми точками обладает очень важным преимуществом по сравнению с объемными полупроводниками и даже двумерными квантовыми плоскостями. Свойства объемных и двумерных кристаллов изменяются не с лучшую сторону при росте температуры, на их основе сложно создавать системы, эффективно работающие при комнатной температуре. В приборах на основе квантовых точек эта проблема решается. Видимо, именно прикладные аспекты в значительной степени привели к тому, что Нобелевский комитет выбрал работы по квантовым точкам.
Беседовала Виталина Власова