ПОНЯТЬ ТО, ЧТО НЕВОЗМОЖНО ВООБРАЗИТЬ

Ученые Армении все более активно интегрируются в мировое научное пространство. Об этом свидетельствуют и полученные в последние годы гранты самой престижной научной программы Евросоюза Горизонт-2020.  Недавно грант этой программы получила группа армянских физиков, занимающихся исследованиями полупроводниковых квантовых наноструктур. 

К РЕЗУЛЬТАТАМ, ПОЗВОЛИВШИМ СТАТЬ УЧАСТНИКАМИ программы Горизонт-2020, ученые шли достаточно долго. Казалось бы, тяжелейшие условия 90-х годов менее всего располагали к развитию передовых направлений физики полупроводников. Однако именно тогда академик Эдуард Казарян собрал группу, в те годы еще совсем молодых ученых, с которых началось новое, уже постсоветское поколение его учеников. В те, теперь уже далекие годы, он предложил начать исследования квантовых точек или, как их иначе называют, искусственных атомов. Научная интуиция подсказывала Казаряну, что это очень перспективная область физики полупроводниковых наноструктур, а результаты исследований, безусловно, найдут широкое практическое применение.

К началу 90-ых специалистами было показано, что «общение» с наноразмерными полупроводниковыми структурами возможно на языке квантовой механики. Иначе говоря, возникала новая фаза в развитии полупроводниковых технологий, которая полностью опиралась на закономерности квантового мира. При этом квантовая механика становилась мощным инструментом, с помощью которого стало возможным создавать приборы нового поколения, в электронике возникло новое направление - квантовые технологии.

Речь идет о структурах, размеры которых составляют одну десятитысячную толщины человеческого волоса, что сложно представить, а выращивать, управлять физическими процессами в таких системах, и в дальнейшем использовать их в качестве функциональной базы приборов, человеку, далекому от науки и технологий, не представляется реальным. Однако факт остается фактом: квантовая механика стала инженерной наукой. Тут уместно вспомнить слова лауреата Нобелевской премии Л.Ландау, который в одном из своих редких телеинтервью сказал: «Может быть величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».

Первые же эксперименты по выращиванию квантовых точек показали, что эти системы по своим характеристикам очень похожи на реальные атомы. Однако, в отличие от ральных, свойствами искусственных атомов можно гибко управлять, меняя их геометрическую форму, размеры, а также компонентный состав квантовой точки. Возникла уникальная ситуация, когда можно было создавать системы с заранее заданными характеристиками под конкретные задачи. Естественно, что вопрос теоретического моделирования квантовых точек приобрел особую актуальность и стал одной из важных задач на первом этапе создания полупроводниковых приборов нового поколения: светодиодов, лазеров, фотоэлементов и т.д.

ЗДЕСЬ СЛЕДУЕТ ОСОБО ОТМЕТИТЬ: изначально казалось, что круг этих задач имеет сугубо прикладное значение, однако позже ученые поняли, что с помощью квантовых точек можно осуществить экспериментальную проверку целого ряда фундаментальных положений квантовой механики, а также протестировать на практике многие, кажущиеся абстрактными квантомеханические модели. Эти знания расширили возможности моделирования квантовых наноструктур, а значит и сферы их практического применения. Были созданы гибридные структуры, имеющие прямой выход в биологию, медицину, материаловедение и т.д.

 Геометрия квантовых точек очень разнообразна, они могут иметь сферическую форму, цилиндрическую, пирамидальную, коническую, кольцеобразную, и это лишь часть палитры геометрических форм, которыми обладают искусственные атомы. Описать такие структуры с точки зрения уравнений квантовой механики - достаточно сложная задача. Однако в ряде случаев сама геометрия точки дает возможность ее аналитического описания. В начале 90-х годов академик Казарян предложил использовать определенные модели ядерной физики для описания квантовых точек, имеющих геометрию сильно вытянутого или же сплюснутого эллипса.

В основе математического подхода лежал так называемый адиабатический метод описания квантовых систем, учитывающий геометрическую специфику описываемых квантовых точек. На начальном этапе предложенный метод описания зачастую воспринимался как приближенная теоретическая модель, позволяющая получить ряд аналитических результатов. Однако в 2013-2016 годах Казарян со своими учениками профессором Айком Саркисяном, доцентами Давидом Айрапетяном и Людвигом Петросяном опубликовали цикл работ по оптическим свойствам сильно сплюснутых эллипсоидальных и линзообразных квантовых точек, в которых предсказали реализацию так называемого обобщенного эффекта Кона в таких системах.

В конце 2016 года группе профессора Д. Фирсова из Политехнического университета Петра Великого в Санкт-Петербурге удалось обнаружить этот эффект в сильно сплюснутых линзообразных квантовых точках, изготовленных из германия. При этом результаты эксперимента и теории давали очень хорошее совпадение. Полученные результаты были проверены, и в начале 2019 года в авторитетном швейцарском журнале “Nanomaterials” была опубликована совместная статья с представлением результатов эксперимента и соответствующей теорией.

  НО НАРЯДУ С ПРИБЛИЖЕННЫМИ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ описания квантовых точек существует и другой – численный метод, позволяющий детально описать эти структуры. В 2019 году в Российско-Армянском университете была организована единственная в мире лаборатория численного моделирования квантовых систем, совместная сo всемирно известной компанией Wolfram Research. Еще до создания этой лаборатории программный продукт Wolfram Мathematica использовался группой Казаряна для решения широкого круга задач. Очень важно, что эта лаборатория стала активно использоваться как в научных, так и  учебных целях. В рамках программы Knowledge Transfer на базе Wolfram-lab начали проходить подготовку студенты, магистранты и аспиранты РАУ, что очень важно, поскольку этот язык программирования может быть удачно адаптирован для решения задач по физике. При этом параллельно с организацией различных лабораторий за прошедшее десятилетие в научной школе отмечался постоянный приток молодых кадров, большинство из которых удачно защищали кандидатские диссертации.

После того, как в 2016 году Армения стала ассоциированным членом программы Горизонт-2020, команда академика Казаряна трижды участвовала в конкурсах этой программы. При первой попытке проект набрал 10 баллов из 15 возможных, но получить грант все же не удалось. Затем последовала еще одна не увенчавшаяся успехом попытка с результатом 12,5 баллов. И, наконец, в третий раз группа смогла получить грант, что, несомненно, является серьезным успехом. Победить в конкурсе программы Горизонт-2020 не только трудно, но и престижно. Это наиболее авторитетный научный конкурс Евросоюза. Победа даст широкие возможности работать по самым актуальным и передовым направлениям квантовой физики и квантовых технологий, с ведущими европейскими научными группами. Важную роль в этом успехе сыграли и коллабораторы, которыми стали сотрудники Гамбургского университета (Германия) и Университета Патры (Греция). Огромную поддержку проекту оказал и ректор РАУ, профессор Армен Дарбинян.

  Грант программы Горизонт-2020 в процессе реализации. Проводимые исследования будут способствовать не только синтезу разных направлений физики, что соответствует международным тенденциям в плане проведения междисциплинарных исследований, но и развитию передовых прикладных направлений, в первую очередь нано- и оптоэлектроники, результаты которых находят все более широкое применение в самых разных сферах профессиональной деятельности. Наконец, особо хочется подчеркнуть, что в дружной научной семье бок о бок с совсем молодыми ребятами, работают авторитетные ученые - профессора Владимир Арутюнян и Камо Агаронян, которые знакомят новое поколение физиков с особенностями науки о квантовых наноструктурах.