Весна и начало лета выдались богатыми на научно-популярные мероприятия, которые провели ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. Специалисты института прочитали научно-популярные лекции для школьников Новосибирской области, слушателей проекта «Точка.Логия» Точки кипения-Новосибирск», приняли в гости школьников 8-го физико-математического класса гимназии «Горностай».

Космическая установка для роста полупроводников

Серия лекций стартовала в апреле, первая из них была приурочена ко Дню космонавтики. Ее представил в Доме ученых новосибирского Академгородка для проекта «Академический час» заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Никифоров. Речь шла об установке молекулярно-лучевой эпитаксии для роста полупроводников в открытом космосе. Установка была сделана специалистами ИФП СО РАН для космического эксперимента «Экран-М».

Александр Никифоров, главный конструктор проекта «Экран-М», пояснил школьникам, что создание высокочистых полупроводников и новых полупроводниковых материалов требует специальных условий. Один из главных параметров — хороший вакуум, на Земле для этого создаются сложные, дорогостоящие установки молекулярно-лучевой эпитаксии. В космосе достичь аналогичных характеристик вакуума гораздо проще. Ученый поделился историей, как создавалась установка с учетом «космических» требований к весу, габаритам, условиям работы в невесомости, показал фотографии выхода космонавтов в открытый космос и размещения установки на внешней поверхности МКС, добавил пояснения о технологии молекулярной-лучевой эпитаксии и ее развитии в нашей стране.

Тему продолжил ведущий инженер ИФП СО РАН Дмитрий Николаевич Придачин уже для слушателей Выставочного центра СО РАН. Он рассказал о хронологии эксперимента «Экран-М», этапах роста полупроводниковых структур в открытом космосе, сложностях при выводе установки и их успешном преодолении. Исследователь показал образец, прилетевший из космоса, поделился личной историей участия в проекте «Экран-М».

Выездные лекции для школьников

Молодые ученые ИФП СО РАН Даниил Игоревич Сарыпов и Никита Игоревич Лысенко приняли участие в проекте СО РАН «Классный ученый». Исследователи встретились со школьниками города Бердска и поселка Мочище Новосибирской области. 

Гидродинамика на службе электроники

Даниил Сарыпов рассказал восьмиклассникам лицея № 7 города Бердска о новом и бурно развивающемся подходе к описанию электронов в полупроводниках — электронной гидродинамике. Он объяснил, почему движение электронов в очень чистых полупроводниках иногда удобнее рассматривать не как движение отдельных частиц, а как течение вязкой жидкости.

В лекции Даниил поднял непростую проблему взаимодействия электронов в полупроводниковых устройствах.

«В полупроводнике одновременно взаимодействует огромное число электронов, поэтому такую систему трудно описывать теоретически и не легче изучать экспериментально. Но именно тут и помогает гидродинамическая идея: следить за каждым электроном по отдельности нельзя, но можно смотреть на всю систему как на сплошную среду и описать ее с помощью таких понятий, как поток, сопротивление и вязкость».

«Аналогии играют в физике ключевую роль, как, в частности, представление о том, что движение сильно взаимодействующих электронов в полупроводниках напоминает течение жидкости. Такая аналогия к тому же открывает простор для инженерной мысли», — подчеркнул главный научный сотрудник ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Артур Григорьевич Погосов, руководитель научной группы, в которой работает Даниил.

Рассказывая об эффектах в электронных системах, Даниил Сарыпов приводил простые и наглядные аналогии с течением классических вязких жидкостей и газов. Очевидный аналог электрического тока в проводнике — поток воды по трубе. «Поток движется неравномерно: у стенок трубки он замедляется, а в середине идёт быстрее, поэтому скорость потока вдоль сечения выглядит как парабола. А можно ли увидеть подобный профиль в электронной жидкости? Да! Такой параболический профиль скорости действительно наблюдали в графене», — рассказал молодой ученый. По его словам, это один из тех случаев, когда интуитивно понятная картинка буквально переносится в мир электронов.

От описания профиля скоростей потока жидкости в трубе разговор постепенно перешёл к вопросу о сопротивлении, которое преодолевает поток: чем выше вязкость жидкости, тем труднее ей течь по трубе. Возникает вопрос: насколько «вязко» ведут себя электроны и как это отражается на сопротивлении их движению?

«И это уже не просто красивая аналогия — мы действительно обнаружили влияние вязкости на сопротивление, проанализировав температурное поведение сопротивления узких микросужений», — отметил лектор.

Среди самых ярких гидродинамических эффектов находятся вихри или водовороты, в жидкости. «Если рядом с широким прямым каналом, по которому идёт поток электронов, создать круглую полость, примыкающую к каналу, то в ней может возникнуть водоворот, где электроны кружатся в сторону, противоположную основному потоку. Это очень красивое явление, и мы его отчётливо наблюдаем в эксперименте», — сказал Даниил Сарыпов.

Увлекая слушателей красивыми явлениями из мира гидродинамики, молодой ученый объяснил разницу между спокойным, ламинарным течением, где всё движется упорядоченно, и турбулентным режимом, основные признаки которого — неустойчивость, перемешивание потоков и вихри. «Турбулентность по праву считается одним из самых впечатляющих и сложных явлений электронной гидродинамики. Наблюдать её в электронной жидкости — настоящий вызов для экспериментаторов. Чтобы приблизиться к этому режиму, физики создают структуры, где электронные потоки намеренно смешиваются. Для этих целей мы использовали специальное устройство, называемое клапан Теслы. И нам удалось наблюдать определённые признаки турбулентности, но не для простой жидкости, а для электронной», — поделился последними открытиями Даниил Сарыпов.

Исследования, о которых рассказывал Даниил, проводились при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-12-00343-П), а результаты опубликованы в высокорейтинговых научных изданиях.

«Наука и ученые: физика полупроводников»

Никита Лысенко прочитал две лекции ― «Физика полупроводников: прошлое, настоящее, будущее» школьникам 10-го и 11-го классов лицея №7 г. Бердска и «Наука и учёные: физика полупроводников» шестиклассникам мочищенской школы № 45 в Новосибирской области.

Ученый рассказал слушателям о необычных «способностях» полупроводников, пояснив, что такие соединения лежат в основе современной электроники.

«Почему же полупроводниковые соединения получили такую большую известность? Потому что с их помощью создали первый транзистор. Транзистор — основной компонент на интегральной схеме. Упрощенно его действие можно сравнить с водопроводным краном, но для электрического тока: он позволяет управлять большими токами с помощью маленьких токов или напряжений, а также мгновенно включать или выключать ток.

В 1956 году трое ученых Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли получили Нобелевскую премию за изобретение транзистора в 1947 году. С момента открытия транзисторы стали использоваться все шире и шире в разных отраслях электроники, и на сегодняшний день человечество произвело транзисторов больше, чем любых других приборов», — отметил лектор.

Он привел примеры разных полупроводниковых материалов, акцентировав внимание на тех, которые могут прийти на замену кремния, добавив, что Институт физики полупроводников — один из лидеров среди научных организаций, создающих и исследующих новые полупроводниковые материалы.

Никита подчеркнул, что шестиклассники задали гораздо больше вопросов, чем старшая группа: встреча продлилась 1,5 часа вместо запланированных 45 минут.

«Свет, электрон и вакуум – как электронно-оптические преобразователи помогают искать внеземную жизнь»

Открытая лекция заведующего лабораторией ИФП СО РАН доктора физико-математических наук, профессора РАН Олега Евгеньевича Терещенко прозвучала в Точке кипения–Новосибирск специально для проекта «Точка.Логия».

Олег Евгеньевич объяснил, что такое фотоэффект, затронул основы зонной теории, чтобы были понятны принципы работы электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Затем ученый рассказал о космической «миссии» ЭОП в качестве «глаз» орбитального телескопа «Спектр-УФ», поделился успехами лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН в области вакуумной спинтроники.

Видеозапись лекции можно посмотреть ниже

На школьных каникулах ― заглянуть в лаборатории

Летние каникулы для восьмиклассников физико-математического класса гимназии «Горностай» начались с погружения в жизнь институтов Сибирского отделения. Одним из них стал ИФП СО РАН.

С историей института, направлениями работы школьников познакомил председатель Совета научной молодежи ИФП СО РАН Денис Сергеевич Милахин. Он добавил, что в институт можно попасть еще со студенческой скамьи, сделав выбор профильной кафедры на первых курсах университета. Затем ребята отправились по локациям — трем лабораториям института. На первом этапе они увидели упоминавшегося выше космического героя – установку молекулярно-лучевой эпитаксии для роста полупроводников в космосе.

Затем школьники побывали в мире газовых лазеров и холодной плазмы с экскурсоводом – инженером лаборатории №36 ИФП СО РАН, аспирантом Новосибирского государственного университета (НГУ) Глебом Шевченко. Он показал лабораторное оборудование и поделился тем, что его вдохновляет в работе ученого.

«Я начал исследовательскую работу в Институте физики полупроводников ещё на третьем курсе Новосибирского государственного технического университета. Позже поступил в аспирантуру НГУ, где сейчас учусь.

Работа ученого состоит не только в том, чтобы проводить эксперименты, а еще и выполнить всю подготовительную работу, моделирование и прочее. Я, например, конструирую разные части экспериментальных установок — мы сами собираем лазеры, экспериментальные установки и силовую часть к ним. Поэтому занимаемся электроникой, работаем с вакуумом, проводим эксперименты. А после необходимо ещё и работать с полученными данными. Я веду и расчетные задачи, осваиваю моделирование. В лаборатории мы пытаемся применить и новые направления, например, методы расчетов на видеокартах, которые помогут ускорить процесс вычисления.

Поэтому если вы соберётесь прийти в науку, то будете иметь дело с очень широким спектром задач. Для меня это самое интересное!», — подытожил Глеб.

Завершили погружение школьники, прикоснувшись (в прямом смысле) к сверхчувствительным гибким сенсорам на основе графена. Научный сотрудник лаборатории №11 кандидат физико-математических наук Артём Иванов дал школьникам протестировать сенсоры для оценки реакции человека на стресс и для оценки состояния здоровья.

Он пояснил, что высокая чувствительность сенсора связана с изменением проводимости мельчайших чешуек графена (моноатомного слоя углерода) или мультиграфена (несколько моноатомных слоев) при попадании на сенсор разных химических соединений. Разнообразные соединения выделяются с выдыхаемым воздухом или с потом человека. Ученые ИФП СО РАН разработали устройство, считывающее изменения проводимости и передающее данные на смартфон.

«Если мы двигаемся в сторону использования гибкой, носимой и даже встраиваемой в человеческое тело электроники или создания биоподобных роботов, нам нужны электронные структуры, которые будут полностью сохранять свою функциональность при растягивании, сжатии, других деформациях.

Поэтому мы создаем печатные элементы на базе графена на ткани, бумаге, полимерной пленке. Они гнутся и при этом сохраняют свои функциональные свойства. Графеновые структуры у нас очень тонкие, поэтому такие чешуйки могут хорошо взаимодействовать с органическими и неорганическими веществами. Например, с выдыхаемым воздухом или с потом человека, показывая, что в нём содержится», — отметил Артем Иванов.

Каждый школьник мог увидеть динамику своей реакции на стресс и посмотреть, как меняются спектры проводимости выдыхаемых с воздухом веществ.

Ребят заинтересовали все представленные лаборатории, а экскурсоводы ответили на множество вопросов.

Классный руководитель Марина Александровна Греблюк подчеркнула, что экскурсия получилась интересной, а главное, понятной и доступной школьникам: «Мы очень рады побывать в Институте физики полупроводников, а до этого и в Институте ядерной физики. Раньше эти НИИ были для школьников, как черные дыры — совершенно неизвестно, что происходит внутри. А теперь появились интересные точки на карте Академгородка».

Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Надежды Дмитриевой, Владимира Трифутина,
предоставлено Инной Цветковой, Никитой Лысенко, Точкой Кипения - Новосибирск
Видео: Точка Кипения - Новосибирск