«Современные экспериментальные исследования принципиально превратились в командную деятельность»
Константин Арутюнов – профессор МИЭМ НИУ ВШЭ, доктор физико-математических наук, руководитель научно-учебной лаборатории квантовой наноэлектроники, известный в России и мире специалист в области криогенной квантовой наноэлектроники и сверхпроводимости наноструктур, автор многочисленных научных работ и публикаций, в том числе в самых уважаемых мировых научных журналах.
Накануне своего юбилея Константин Юрьевич любезно согласился ответить на вопросы интервью для новостной службы. Мы расспросили юбиляра о состоянии науки, месте учёного в ней, особенностях экспериментальной физики, ярким представителем которой он является.
Константин Юрьевич, Вы специалист в области сверхпроводимости наноструктур. Что это такое? И где здесь главные точки применения науки?
Ваш вопрос, а точнее, его окончание, очень типичный: каковы точки применения науки. Наука развивается по своим законами, и совершенно не обязательно ей иметь точки применения. Кто-то из великих сказал: "Нет неприкладной науки. Только какие-то применения находятся сразу, а какие-то - спустя десятилетия". Фундаментальная наука - часть общечеловеческой культуры. И ее ценность так же велика, как роль музеев, театров и всего многообразия искусства во всех его проявлениях. Начни требовать от науки или искусства практичности - человечество выродится в сытое и здоровое сообщество, но, увы, мало отличающееся от животных.
Мировой информационный шторм, охвативший во второй половине ХХ века практически всё население Земли, требует совершенствования устройств, обеспечивающих передачу, хранение и обработку информации. Очевидными следствиями являются постоянное увеличение скорости соответствующих процессов и повышение компактности устройств, миниатюризация.
Сейчас все мировые авторитеты в области микро- и нанотехнологий сходятся во мнении, что дальнейшее увеличение степени интеграции коммерческих наноэлектронных изделий перестает быть возможным.
При этом приводятся две основные причины. Первая, чисто технологическая - невозможность эффективного отвода тепла, выделяемого в единице объема (площади) интегральной схемы. Например, в современных микропроцессорах с 1 см2 выделяется мощность порядка 100 Вт. Для сравнения, в нагревательном элементе кухонной электроплиты эта величина - "всего лишь" ~ 8 Вт/ см2. Исходя из сказанного, представляется исключительно заманчивым использовать в качестве элементов микро- и наноэлектронных цепей сверхпроводящие материалы, где нет выделения джоулева тепла. Естественно, речь идет о наиболее "критических" блоках, которые придется охлаждать до криогенных температур, чтоб достичь сверхпроводимости. Например, существуют оценки, что следующее поколение суперкомпьютеров на базе стандартной полупроводниковой технологии будет потреблять порядка 100 МВт электроэнергии (~ 1/10 мощности АЭС). В то время как компьютер аналогичной производительности на базе сверхпроводящей технологии (так называемая, RSFQ логика) ~ 10 МВт, даже с учетом энергозатрат на охлаждение. Следует заметить, что я пока говорю о классических вычислительных устройствах. Квантовые вычисления, обработка и передача данных - отдельный разговор. По всей видимости, там роль сверхпроводниковой техники будет еще более принципиальна.
Вторая проблема, ограничивающая дальнейшую миниатюризацию - фундаментальная:
при достижении определенных размеров (очень грубая оценка - порядка 10 нм) процесс протекания электрического тока в сверхминиатюрных элементах уже не подчиняется законам классической электротехники, и начинают проявляться качественно новые квантовые явления, нарушающие штатный режим работы устройства.
Хочу заметить, что с точки зрения атомистического строения вещества такие объекты можно всё еще прекрасно считать макроскопическими. Например, в сечении такого 10 нм металлического провода около 10 000 атомов.
Поэтому разумно задаться вопросом: существуют ли аналогичные размерные ограничения на протекание бездиссипативного электрического тока ("сверхтока") в сверхпроводниках? В любом учебнике по физике можно найти утверждение, что сверхпроводимость - макроскопический квантовый коллективный эффект. Соответственно, наш вопрос можно переформулировать в ключе диалога из замечательного мультфильма "33 попугая", когда Обезьянка и Слоник обсуждают, сколько кокосов нужно сложить вместе, чтобы получилась куча? Другими словами, каково ограничение на размер "коллектива", в котором может наблюдаться эффект сверхпроводимости?
И вот тут, несмотря на кажущуюся простоту вопроса, оказывается, что есть очень много "белых пятен", изучение которых принципиально важное как для фундаментальных вопросов физики, так и для практического применения. Не вдаваясь в лишние детали, могу сказать, что, действительно, существуют фундаментальные ограничения на протекание бездиссипативного электрического тока в сверхпроводниках малых размеров.
Исходя из сказанного можно сделать некий вывод: сколько-нибудь значительное увеличение степени интеграции наноэлектронных компонентов невозможно. Существуют фундаменальные ограничения на миниатюризацию наноэлектронных устройств - как стандартных (на базе полупроводников и нормальных металлов), так и с использованием сверхпроводников. Такой прогноз выглядит пессимистическим, если воспринимать развитие электроники только как процесс увеличения количества определенных элементов на единицу площади (объема) электронной схемы.
Однако, если понимать развитие в более общем смысле, то исследование электронных устройств сверхмалых размеров исключительно важно с двух точек зрения. С одной, учет этих размерных ограничений принципиально важен при проектировании электронных цепей нового поколения. А с другой, именно в области сверхмалых размеров наблюдаются специфические (квантовые) эффекты, которые можно использовать для изготовления качественно новых устройств. Например, элементов квантовой логики - кубитов (qbit).
Вы физик-экспериментатор. Чем для Вас притягательна именно такая физика? И чем современный эксперимент в физике отличается от того, какой был 50, 100 лет назад?
Ну, во-первых, я еще не так долго жил и работал, чтобы иметь собственное представление об этих далеких годах. Во-вторых, экспериментальные и теоретические исследования - две стороны одной и той же медали, которая называется физика. Поэтому поделюсь пока своими представлениями о развитии физики в целом, а потом уже постараюсь выделить специфику экспериментальной составляющей.
Век назад производство и культивация физиков были делом штучным. Все, кто ею занимался более или менее успешно, знали друг друга либо лично, либо, по крайней мере, через работы, которые производились тоже штучным образом. Соответственно, качество исследователя и его исследований могло быть оценено научным сообществом непосредственно через изучение того, что было сделано.
Сейчас ситуация количественно драматически изменилась: в мире стало столько "физиков" и столько макулатуры, выдаваемой "на-гора", что количество перешло в плачевное качество: разобраться в том, что хорошо, а что мусор, не представляется возможным. А бюджет, выдаваемый мировым сообществом на науку, ограничен. Поэтому в борьбу включаются статистические показатели, которые имеют весьма слабое отношение к науке: индекс Хирша, индекс цитирования издания, где опубликована работа и т.д. Чиновникам от науки это кажется правильным, а вот нам, исследователям, от этого становится тоскливо. Как это ни кажется детским и непрофессиональным, двигателем науки являются исключительно идеалистические мотивы - любопытство и честолюбие. А никак не потребность (а теперь - всё уже более требование!) публиковаться много, сенсационно и преимущественно в "престижных" изданиях. Конечно, и раньше были успешные дельцы от науки, но сейчас это безобразие зашкаливает: вся система раздачи "бонусов" понуждает к этому.
Второе качественное изменение неотъемлемо связано и со всем развитием человечества за последние десятилетия - переизбыток информации. В те "золотые" годы науки информации было не так уж и много. До многого приходилось додумываться самому.
Сейчас же исследователь тратит огромное время на то, чтобы изучить, что уже было сделано до него, дабы не "изобретать велосипед". Все те сливки, что "лежали на поверхности", уже сняты. Нужно копать глубже.
Теперь про специфику экспериментальной физики. В теоретических исследованиях, как и в былые годы, всегда кто-то один придумывает что-то новое. Поэтому до сих пор можно найти работы в теоретической физике и, в особенности, в математике, с единичными авторами. Хотя, строго говоря, современная теоретическая физика тоже стала такой трудозатратной, что и крупным теоретикам нужны помощники для выполнения вспомогательных расчетов. А вот современные экспериментальные исследования уже принципиально превратились в командную деятельность: и техника эксперимента, и технология изготовления объектов исследования стали настолько сложными, что одиночке там сделать что-то новое практически невозможно.
В моей области (криогенная квантовая наноэлектроника) это еще не так критично: при наличии достойного оборудования, команда из пяти-шести человек может вполне работать на переднем крае. А вот в таких областях, как астрофизика или физика высоких энергий, требуются коллективы из сотен или даже тысяч исследователей.
Вторая особенность экспериментальной физики непосредственно связана именно с этими самыми "бонусами", за которые приходится бороться. Если современному теоретику достаточно иметь компьютер, доступ к научным журналам и возможность съездить на конференцию, то для нас, экспериментаторов, нужно добывать средства для оборудования, закупки расходных материалов, оплаты сторонних работ и т.д. А в моей области, это уже вполне серьезные затраты. Увы и ах...
Какую область, тему Вы сами определили бы как главную в научной работе вообще и на сегодняшний день в частности? И каковы Ваши научные планы в ближайшей перспективе?
В настоящий момент я преимущественно занимаюсь сверхпроводимостью очень малых объектов - наноструктур. С одной стороны, там много открытых вопросов фундаментальной важности. Например, надежно установленным экспериментальным фактом является зависимость критической температуры сверхпроводника, при которой металл переходит в сверхпроводящее состояние, от размеров системы (например, толщины тонкой пленки). Однако, несмотря на более чем 70-летнюю историю подобных наблюдений, до сих пор нет общепринятого объяснения этого загадочного явления. А, с другой стороны, использование сверхпроводников в качестве сенсоров и/или логических элементов в наноэлектронных устройствах нового поколения представляется крайне заманчивым с точки зрения принципиально новых возможностей. Например, изготовление высокоточного квантового эталона силы электрического тока или элементов квантовой логики - кубитов.
Наука, тем более экспериментальная – всегда немного путь с непредсказуемым результатом. В каком случае Вы определяете результат как положительный? Именно в Вашей личной системе координат…
Опять, как это ни покажется наивным и непрофессиональным, я считаю, что тяга, удовольствие и удовлетворение от экспериментальной деятельности должны происходить от процесса, а не столько от (положительного) результата. Когда я прихожу в лабораторию и включаю экспериментальную установку, то испытываю радость безотносительно к тому, что планируется получить.
Не могу назвать себя заядлым рыбаком, но когда выдается свободное время, люблю порыбачить. И там именно так и происходит: важен сам процесс сидения с удочкой у воды и ожидания поклевки, нежели пойманная рыба. Конечно, если при этом еще что-то и удастся поймать, то совсем хорошо:)
Ну, а если серьезно, то положительным в экспериментальной физике можно назвать результат, когда удалось зарегистрировать либо новое явление, либо уже известное, но при условиях или в системе, где раньше никто такого не видел. Например, сейчас вместе с коллегами из уфимского университета мы пытаемся зарегистрировать сверхпроводимость в органическом полимере. Традиционные сверхпроводники - металлы. В последние десятилетия были обнаружены сверхпроводящие керамики. А вот полимер - это экзотика. Посмотрим, что получится...
Хочется верить, что у моей группы будет возможность работать в штатном режиме. Идей хватит на многие годы. А результаты приложатся. Будет ли это великое открытие или фиаско, время покажет. Но не хочется настраиваться или быть вынужденным заниматься рутинными исследованиями.
Что ожидает область нанотехнологий и исследования свойств материалов в квантовом мире в ближайшем будущем? Есть ли тут что-то (открытия, изобретения, практические применения), что очевидно ожидается всеми? Если да, то что?
Быть провидцем трудно. Можно сильно просчитаться.
В 1900 г. в рамках празднования начала нового века ведущим мировым футурологам был задан, среди прочих, один и тот же вопрос: что будет главной проблемой больших городов через 100 лет, т.е. в 2000 г. После долгих совещаний был выработан единодушный ответ: неимоверное количество конского навоза на улицах.
Уже куда ближе к нам, в конце 60-х годов прошлого века, после первых триумфальных космических полетов, те же самые научные провидцы вполне серьезно предсказывали регулярные туристические космические полеты на Луну к 2000 гг., разработку там полезных ископаемых и выращивание в лунных теплицах в условиях пониженной гравитации гигантских фруктов и овощей. И не только футурологи, но и вполне приземленные коммерсанты могут сильно ошибаться. Первый персональный компьютер был разработан фирмой Hewlett Packard в середине 70-х годов прошлого века. По результатам маркетологического исследования в США было идентифицировано порядка 100 потенциальных пользователей, и программа была закрыта... Поэтому, постараюсь быть крайне осторожным в своих прогнозах и ограничусь понятной мне областью.
Мне видится, что в области физического материаловедения очень многообещающими могут быть исследования в области создания искусственных низкоразмерных материалов - слоистых гетероструктур, сочетающих в себе различные физические свойства. Например, сверхпроводники и ферромагнетики (так называемые сверхпроводящие спинтронные системы). Слоистость и низкоразмерность, вероятно, могут оказаться ключами к разгадке феномена высокотемпературной сверхпроводимости, открытого в 1986 г. и до сих пор не нашедшего своего общепринятого объяснения.
Что касается нанотехнологий, то здесь нужно различать два направления: лабораторные приборы и индустриальные системы.
Развитие первого класса устройств, как мне кажется, будет продвигаться по пути появления на рынке приборов модульного типа, сочетающих в себе как технологические, так и аналитические возможности. В зависимости от конкретных задач и бюджета, заказчик может конфигурировать функциональность заказываемой установки. Высокопроизводительные нанотехнологические устройства для массового производства, по всей видимости, потихоньку будут отходить от исключительно дорогой ультрафиолетовой фотолитографии в поисках более дешевых решений. Одним из которых потенциально может оказаться нанопечать (nanoimprinting).
Вероятно, нужно сказать еще несколько фраз об исключительно модном сейчас словосочетании "квантовые технологии". Каждый понимает это по-своему, чтобы выгодно представить свои исследования. Я глубоко убежден, что и квантовым компьютингом, и квантовой передачей и обработкой информации нужно заниматься. Это исключительно интересная область исследований. Однако надо воздержаться от прожектёрства, ожидая быстрого создания готовых к использованию устройств. А то может получиться как с полетами на Луну...
Вы упомянули такую идеалистическую категорию, как любопытство. Считаете ли вы идеализм необходимым условием для занятия академической наукой? Что бы Вы порекомендовали в этом отношении молодым людям, которые еще не сделали окончательный выбор в жизни?
Хороший вопрос. Да, считаю. Тем, кто хочет получить быстрый сиюминутный результат, материальное благополучие и социальное процветание, лучше в науку не идти. Если посмотреть на всю историю естествознания, то большинство великих открытий делалось бессребрениками, этакими Дон-Кихотами от науки. Конечно, в прошлые века занятие наукой в значительной мере было привилегией состоятельного класса, для которого результаты научной деятельности не были напрямую связаны с материальными стимулами.
Более того, я считаю, что именно идеализм, как профессиональная пригодность, в какой-то мере приведет к очистке науки от избыточной перенаселенности.
В моем поколении, в особенности в СССР, для хорошо учившихся в школе юношей и девушек было не так уж много опций «куда пойти потом». Сейчас ситуация радикально изменилась. Наверное, к лучшему. Появились такие возможности для самовыражения как бизнес, финансы, IT-технологии. Конечно, я совсем не утверждаю, что только в науке идеалисты, а вне неё - одни приземленные прагматики. Совсем нет. Более того, положа руку на сердце, приходится признать, что и в академической науке очень часто приходится руководствоваться далеко не идеалистическими соображениями. С'est la vie.
В этой связи, всем тем молодым, кто стоит перед выбором, включая наших студентов, я бы настоятельно рекомендовал прежде всего получить диплом о высшем образовании. Сразу отсекать для себя интеллигентную работу мне кажется не вполне разумным. Жизнь меняется быстро, и может получиться, что спустя сколько-то лет именно отсутствие такой бумажки негативно аукнется. А вот после окончания магистратуры я бы посоветовал, как сейчас говорят, "не париться" и честно заглянуть в себя. И только в том случае, если чувствуешь, что твои амбиции того требуют, идти в академическую науку. Легкой жизни не будет. Но зато можно существовать в ладах со своим "я". Добро пожаловать!
Интервью брал Олег Мыслюк