ПРФЛ | УНРЦ | МПГУ | In English

Научная школа на кафедре общей и экспериментальной физики МПГУ

И.Е. Тамм Г.С. Ландсберг Научная школа на кафедре общей и экспериментальной физики (КОЭФ) Московского педагогического государственного университета начала складываться в 30-х годах прошлого века. В то время на физическом факультете университета (тогда 2-го МГУ) работали известные физики академики И.Е. Тамм, Г.С. Ландсберг и А.А. Андронов. Под их влиянием на физическом факультете начались научные исследования, относящиеся к радиофизике, которая активно развивалась в стране, и успехи которой были весьма впечатляющими. В дальнейшем становление школы связано с именами профессора Н.Н. Малова и его преемника профессора, члена-корреспондента РАО Е.М. Гершензона. В настоящее время руководителем школы является профессор Г.Н. Гольцман. Научная школа КОЭФ по прежнему тяготеет к радиофизическим исследованиям, хотя их конкретная тематика значительно изменилась. Научная школа КОЭФ всегда работала над самыми актуальными проблемами радиофизики в стране и в мире. Довоенный период и первые послевоенные годы характеризовались научными исследованиями в области физики СВЧ-колебаний. Именно в это время под руководством Н.Н. Малова были получены результаты, которые затем легли в основу теории распространения сверхвысокочастотных колебаний в волноводах [1]. В конце 50-х годов прошлого века в коллектив школы влились молодые талантливые ученые, в будущем профессора Е.М. Гершензон и В.С. Эткин. Благодаря их усилиям на физическом факультете МПГУ (тогда Московского государственного педагогического института им. В.И. Ленина) открылась Проблемная радиофизическая лаборатория (ПРФЛ), вскоре ставшая крупнейшим научным подразделением в педагогических вузах СССР. Дальнейшее развитие научной школы происходило в рамках ПРФЛ.

Будучи радиофизической по направлению, научная школа постоянно совершенствовала тематику исследований в соответствии с развитием радиофизики в целом, которое в ряде случаев было следствием работ, выполненных в ПРФЛ. Так, в конце 50-х – начале 60-х годов в ПРФЛ был создан первый в СССР параметрический усилитель на полупроводниковых диодах, что в дальнейшем было отмечено Государственной премией СССР 1983 г.

В 60-х и 70-х годах тематика исследований научной школы расширилась. В то время основное внимание в физике полупроводников уделялось изучению физических процессов в идеальных кристаллах. Особенностью нашей школы было изучение в таких кристаллах слабосвязанных состояний и приборов на их основе. Исследования велись в основном радиофизическими методами, оригинальность исследовательского подхода состояла в том, что эксперименты проводились на самых высоких частотах радиодиапазона (длина волны λ ∼ 0,5÷3 мм) с использованием ЛОВ-спектроскопии (Государственная премия 1980 г.). Изучались магниторезонансные эффекты (циклотронный и электронный парамагнитный резонансы), спектры примесных и экситонных состояний, проводимость по примесям. Спектроскопическими методами были обнаружены отрицательно заряженные мелкие донорные примеси и положительно заряженные акцепторные примеси в полупроводниках (Ge, Si), впервые наблюдались водородоподобные электродипольные переходы внутри свободных экситонов (Ge). Эти исследования позволили не только исчерпывающе объяснить целый ряд физических явлений, но и разработать новые методы измерения параметров Ge, Si, InSb позволившие получать их в сверхчистом виде.

Продолжение исследований параметрических устройств постепенно переросло в работы по созданию сверхмалошумящих СВЧ-приемников – радиометров, предназначенных для дистанционного мониторинга Земли и Мирового Океана. Эти работы проводились совместно с созданным в это время Институтом космических исследований РАН, один из отделов которого был образован членами коллектива научной школы ПРФЛ. Результатом исследований явилось создание ряда не имеющих аналогов комплексов радиометров для самолетных и корабельных исследований подстилающих поверхностей (земли, снежного покрова, морской поверхности и т.д.). В их числе единственный в своем роде комплекс криогенных приемников гелиевого уровня охлаждения (широкополосных джозефсоновских радиометров) с предельно возможной чувствительностью, предназначенный для использования на борту корабля. Разработанные радиометры успешно использовались в ряде глобальных экспериментов по мониторингу подстилающих поверхностей. В их числе – единственный в то время в мировой практике эксперимент по изучению морского волнения с борта судна с помощью комплекса криогенных радиометров.

Одно из основных направлений научной школы в настоящее время – исследование неравновесных явлений и пространственно неоднородных процессов в сверхпроводниковых наноструктурах – ультратонких пленках толщиной в несколько атомных слоев, узких или коротких сверхпроводящих полосках и мостиках. Предметом исследований являются процессы энергетической релаксации и диффузии горячих квазичастиц, однофотонные процессы в очень узких и тонких пленках и динамика фотоиндуцированных центров проскальзывания фазы, разбаланс заряда и его релаксация для электронно- и дырочно-подобных возбуждений, андреевское отражение на NSN и SN границах, а также эффект близости, s - и d - виды симметрии параметра порядка волновых функций. Продолжением этого направления исследований является создание на их основе новых приборов и устройств – рекордных по характеристикам малошумящих и широкополосных смесителей терагерцового диапазона частот, требующих малой мощности гетеродина, однофотонных инфракрасных и оптических детекторов, сочетающих пикосекундное быстродействие, высокую квантовую эффективность и рекордно малое число ложных срабатываний. Это направление включает в себя практическое применение приборов, созданных на базе сверхпроводниковых наноструктур, в радиоастрономии терагерцового диапазона (исследование звездообразования в молекулярных облаках и пылевых туманностях); в радиофизике (дистанционное зондирование верхних слоев атмосферы в субмиллиметровом диапазоне для мониторинга гетерогенных химических реакций и наличия примесей-катализаторов, предположительно отвечающих за состояние озонового слоя и глобальное потепление климата); в оптике (создание новых типов сверхчувствительных приемников и однофотонных волоконных линий связи инфракрасного диапазона); в электронике (разработка приборов для неразрушающей диагностики КМОП СБИС путём детектирования излучения горячих электронов в переключающихся полевых транзисторах, а также сверхбыстродействующей криогенной логики для суперкомпьютеров).

Практически все в мире проекты терагерцовой супергетеродинной радиоастрономии и зондирования верхней атмосферы Земли в терагерцовом диапазоне основаны на применении сверхпроводниковых смесителей на горячих электронах – hot electron bolometers (HEB), возникших как результат исследований и разработок научной школы КОЭФ. К таким проектам относятся первый наземный терагерцовый телескоп с супергетеродинным приемником на 1,03, 1,26 и 1,46 ТГц (плато Атакама в Чили, совместная работа МПГУ и Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), USA, телескоп космического базирования HERSHEL (терагерцовый канал 1,5÷1,9 ТГц) – совместная работа МПГУ и Chalmers University of Technology, Sweden, самолетный проект SOFIA с каналом 4,7 ТГц и баллонный проект TELIS – канал 1,8 ТГц (совместная работа МПГУ и Intuit fur Webtraumsensorik und Planetenerkundung, Germany), терагерцовый телескоп на южном полюсе TREND и др.

В прошлые годы, по мере продвижения супергетеродинной техники в высокие частоты выяснилось, что самые малошумящие смесители субтерагерцового диапазона – туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник резко теряют чувствительность на частотах, близких к 1 ТГц, соответствующих величине энергетической щели в используемом сверхпроводнике (чаще всего Nb). Диоды Шоттки в терагерцовом диапазоне не только малочувствительны, но и требуют относительно большой мощности гетеродина, которую трудно генерировать, по крайней мере, с помощью твердотельных источников. Смесители на горячих электронах (HEB) не имеют принципиальных ограничений со стороны высоких частот, демонстрируют высокую чувствительность при малой мощности гетеродина.

Этот результат, полученный в рамках научной школы, явился следствием фундаментальных исследований неравновесных релаксационных явлений в тонких сверхпроводящих пленках, проводившихся в ПРФЛ в 80-х годах 20 века [2-4], и непосредственно был опубликован в 1990-м году [5]. Позже (1993 г.) появилась конкурирующая публикация из Йельского университета, США [6] о сверхпроводниковом смесителе на горячих электронах с диффузионным каналом охлаждения, и на базе этих исследований проводились разработки в США, Германии и других странах терагерцовых смесителей для тех же международных проектов, однако действительно практическими стали смесители с фононным каналом охлаждения, разаработанные в ПРФЛ МПГУ. Этот факт в значительной мере послужил мировому признанию научной школы КОЭФ МПГУ в радиофизике терагерцового диапазона.

Еще одним важным результатом является обнаружение фотоиндуцированных центров проскальзывания фазы в токонесущей тонкой сверхпроводящей пленке, разработка однофотонных ИК детекторов с уникальным сочетанием пикосекундного быстродействия, высокой квантовой эффективности и низкого уровня ложных срабатываний, а также их практическое применение для функциональной и технологической диагностики КМОП СБИС последнего поколения путем детектирования излучения горячих электронов в каналах переключающихся полевых транзисторов [7-9]. Это пример работы, когда за 3 года пройден путь от первичной идеи и уникального фундаментального исследования до технологической разработки и практического применения. В этом примере также проявляется современный стиль работы научной школы. Такой стиль возможен только в случае накопления фундаментальных знаний и опыта технологических разработок за достаточно большой период времени. Научная школа в педагогическом институте и раньше работала именно таким образом, так как даже во времена СССР по уровню финансирования и материально-технического обеспечения не имела возможности работать только над фундаментальными научными проблемами, а могла существовать в основном только за счет хоздоговоров.

В современных исследованиях школы находит продолжение изучение полупроводниковых монокристаллов – Si с аномально малыми степенями компенсации (К ∼ 10-5 ÷ 10-3) и концентрациями основной примеси (N), далекими от перехода диэлектрик-металл (NМ) – N ∼ 10-2 NМ, что позволило впервые обнаружить целый ряд эффектов, таких как прыжковая проводимость по полосе H--подобных состояний, непрямой (трехступенчатый) захват фотовозбужденных носителей, делокализация H- -подобных состояний в электрическом поле, новый механизм проводимости по примесям, а именно, проводимость по H--подобным состояниям примесей, сконцентрированных вдоль линейных дислокаций. Эта проводимость в электрических полях при низких температурах может на много порядков (103 ÷ 106 раз) превосходить "обычную проводимость по примесям".

В развитии полупроводниковой тематики также проявляется преемственность поколений исследователей. Так, например, в ПРФЛ нашли своё продолжение пионерские работы профессоров Ю.А. Гурвича и А.П. Мельникова по обнаружению отрицательных примесных ионов в полупроводниках.

С самого начала появления грантовой системы в нашей стране научная школа КОЭФ МПГУ участвовала во многих конкурсах и получала большое количество грантов. Исторически, первый конкурс проводил научный совет по сверхпроводимости, который был создан Комиссией СМ СССР под председательством Н.И. Рыжкова (Председатель Совета Министров СССР). Полученный в 1989-1991 г.г. грант (по 2×106 рублей в год, около 1×106 долларов за 3 года) позволили приобрести современное по тем временам оборудование, которое поддерживается в рабочем состоянии и дает возможность проводить исследования и разработки на высоком уровне (этот грант часто сравнивают с беспрецедентной государственной выплатой МПГУ по конкурсу инновационных вузов 2006 года, за счёт которой была закуплена порция оборудования, современного по настоящему времени).

Важным фактором для молодежи, попавшей в ПРФЛ, является обеспечение научной работы необходимыми расходуемыми материалами и первоклассным современным оборудованием. Поскольку большая часть экспериментальной работы школы связана с низкими температурами, то одним из самых необходимых материалов является жидкий гелий. Его ожижение производится на собственной криогенной станции, работа которой не прекращалась даже в самые трудные годы. Станция обслуживает только данную научную школу; потребление жидкого гелия составляет 4000 л в год. Всё время существования лаборатория старалась преобретать необходимое оборудование из всех возможных, порой даже неожиданных, источников. Так, например, в 2003 году в компании IBM было принято решение для проведения совместных работ подарить нашей научной школе высококлассный электронный микроскоп, который был доставлен в Москву с участием американского фонда CRDF (во избежание уплаты таможенных пошлин в РФ) и доработан нашими сотрудниками до электронного литографа, позволяющего изготавливать наноструктуры с размером в плане менее 50 нм. В результате была создана технология изготовления сверхпроводниковых наноструктур с характерным размером в плане меньше 100 нм. Такие объекты исследования являются одними из основных в работах школы, а их изготовление до сих пор производилось нашими сотрудниками и аспирантами либо на оборудовании ИПТМ РАН, либо за рубежом в рамках совместных работ.

 

Литература:

  1. Н.Н. Малов, Физический журнал СССР, No 4, стр. 473, 1941.
  2. Гершензон Е.М., Гершензон М.Е., Гольцман Г.Н., Семенов А.Д., Сергеев А.В. Письма в ЖЭТФ, 1892 т. 36, стр.241;
  3. Гершензон Е.М., Гершензон М.Е., Гольцман Г.Н., Семенов А.Д., Сергеев А.В. // ЖЭТФ, 1984, т.86, вып.2, с.758-773
  4. A.D. Semenov, G.N. Gol'tsman, I.G. Goghidze, A.V. Sergeev, E.M. Gershenzon, P.T. Lang, K.F. Renk, Appl. Phys., Lett., 1992, v 60, N 7, pp. 903;
  5. A.V. Sergeev, A.D. Semenov, P. Kouminov, V. Trifonov, I.G. Goghidze, B.S. Karasik, G.N. Gol'tsman, E.M. Gershenzon, Phys.Rev.B, 49, pp.9091-9906, 1994.
  6. N.G. Ptitsina, G.M. Chulcova, K.S. Il'in, A.V. Sergeev, F.S. Pochincov, E.M. Gershenzon, M.E. Gershenzon, Phys. Rev. B, vol. 56, N 16, pp. 10089-10096, 1997.
  7. Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н., И.Г. Гогидзе, Ю.П. Гусев, А.И. Елантьев, Б.С. Карасик, А.Д. Семенов, Сверхпроводимость: физика, химия, технология, 1990, т. 3 No 10, стр. 1711.
  8. Prober D.E. // Appl. Phys. Lett., 1996, vol. 68, p. 1558-1560.
  9. Alex D. Semenov, Gregory N. Gol'tsman, Alexander A. Korneev, Physica C 351, 349-356, 2001.
  10. G. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williamsб and R. Sobolewski, Appl. Phys. Lett. 79, 705 (2001).
  11. J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz, W. Lo, R. Malinsky, O. Okunev, A. Pearlman, W. Slysz, A. Verevkin, K. Wilsher, C. Tsao, and R. Sobolewski, to appear in Elect. Lett. (2003).

 

Фотокарточки, подготовленные к 50-летию ПРФЛ

 

ПРФЛ | УНРЦ | МПГУ