Премия свету и супермикроскопу

Нобелевский комитет отдал предпочтения прикладным исследованиям

«В этом году премия (по физике) — свету», — сказал член Шведской королевской академии Стефан Нормак и назвал, тщательно стараясь не исковеркать, непривычные для европейского уха японские фамилии — Исаму Акасаки, Хироси Амано (оба из университета Нагойи, Япония) и Сюдзи Накамура (Калифорнийский университет, США) — «за изобретение синих светодиодов, которые открыли путь к ярким и экономным источникам белого света». Премия — признание того, что японские ученые открыли принципиально новый источник искусственного освещения.

Учитывая, что в истории человечества таких событий было меньше, чем пальцев на руке (горелки с маслом — лампы накаливания (XIX век) — флюоресцентные лампы (XX век) — наконец, светодиоды), изобретение японских ученых и правда открывает целую новую эпоху. И все же многие не скрывают разочарования тем, что в этом году Нобелевку дали за «чисто прикладную физику»: в прошлом году ее присудили за «бозон Хиггса», а до этого — за исследование смешанных квантовых состояний. Впрочем, единственный физик (из 198 лауреатов, удостоенных главной премии мира по физике с 1901 года), получивший Нобелевскую премию дважды, — Джон Бардин — удостоился ее сначала за изобретение транзистора (в 1956 году), а потом уже за теорию — сверхпроводников (в 1972-м). Не говоря уже о том, что, согласно завещанию самого Нобеля, премия вручается не только за фундаментальные открытия, но и за исследования, которые способствуют прогрессу человечества. Это была почти «прометеевская» задача — подарить людям новый источник света, к тому же — почти безупречный с точки зрения экологии и сохранения земных ресурсов. И ее блестяще решили японские физики.

От идеи до воплощения

Необходимость создания сверхэффективных и долгоживущих источников света существовала давно. В последние десятилетия все более актуальными становились проблемы энергосбережения, экологической безопасности и, наконец, доступности бытового освещения для тех, кто использует маломощные источники электроэнергии (солнечные батареи, а также обычные электрические батарейки). Синие светодиоды дали надежду на их решение в обозримом будущем.

В середине 1990-х японские ученые наконец-то поняли, как создать светодиод, излучающий свет в синей части спектра. Они разработали технологию создания новых полупроводниковых структур, сделали опытный образец синего светодиода и наладили его массовое производство. А соединяя свет от синих светодиодов с излучением красных и зеленых светодиодов, можно получить освещение любого цвета и, прежде всего, белого.

История создания синих светодиодов не лишена драматизма — с неожиданными поворотами и даже тупиками. Об этом The New Times рассказал один из «патриархов» отечественной оптоэлектроники, доктор технических наук, профессор Евгений Вигдорович. По его словам, работы в этой области начались еще в 1972 году, причем одновременно в Японии и в СССР.

Тогда самый старший из нынешних лауреатов Исаму Акасаки (ему 85) руководил лабораторией в Нагойском университете и пытался получить новые полупроводниковые материалы для светодиодов. У нас этим занимались в НИИ материаловедения в Зеленограде. Основная проблема заключалась в том, чтобы получить основу для диода — полупроводник, который обеспечит излучение именно синего цвета. Наиболее перспективным мог оказаться нитрид галлия. Но технологии его получения на тот момент не существовало.

«Я тогда руководил лабораторией, и мы разрабатывали технологию вместе с зеленоградским МИЭТом, — рассказывает Евгений Вигдорович. — Мы с японцами получили нитрид галлия практически одновременно. Но ни они, ни мы не смогли тогда получить на нем работающий «р-n переход» — основу любого диода… Светодиод получался тусклый, видимый только в темноте. И где-то к 1978 году работы были приостановлены, причем в обеих лабораториях». «Из-за неудач многие покидали эту сферу деятельности,— сказал и Акасаки, когда узнал о том, что стал Нобелевским лауреатом,— но мы продолжали этим заниматься — просто потому, что нам это нравилось».

Синий светодиод, созданный нобелевскими лауреатами

Шли годы. Где-то в конце 1980-х Сюдзи Накамура, тогда совсем молодой (ему было двадцать пять) сотрудник небольшой японской фирмы, работая над диссертацией наткнулся на статью физиков из МГУ — так он сам позже рассказывал академику Жоресу Алферову, тоже Нобелевскому лауреату. Еще в начале семидесятых они, обрабатывая пучком электронов образцы нитрида галлия, получили яркое свечение — но причины этого странного света понять не смогли. А Накамура — понял. Понял, что авторы статьи случайно получили необходимый для создания синего светодиода тот самый «р-n переход». И Накамура начал — в свободное от основной работы время — свои эксперименты с нитридом галлия. В 1989 году возобновились работы и в университете Нагойи. Японские ученые создали светодиод сначала на так называемом «гетеропереходе» (из двух разных материалов). Затем с помощью элементов наноинженерии им удалось еще больше повысить мощность излучения светодиода. В России работы тоже возобновились, но с большим отставанием — и по темпам исследования, и по выделяемым средствам.

Когда же яркость излучения светодиода стала сопоставима с яркостью традиционных источников света, Сюдзи Накамура собрал опытную конструкцию светодиода, и через некоторое время он был запущен в производство. Накамура переехал в США, стал американским гражданином и, усовершенствовав технологию, получил новые патенты. А затем организовал в Калифорнии свое собственное производство синих светодиодов, которым — параллельно с работой в университете — сейчас и управляет.

Вечные лампочки

В настоящее время источники света на светодиодах действительно близки по световой мощности к лампам накаливания и люминесцентным лампам, а могут быть и намного ярче. И это очень важно для энергосбережения. При этом время их жизни — 100 тыс. часов (лампы накаливания живут 1000 часов, а люминесцентные лампы — 10 тыс. часов).

Новые источники света решают и экологическую проблему: в отличие от «ламп дневного освещения», они не содержат ядовитой ртути. Кстати, широко используемые сейчас в быту «энергосберегающие лампы» — с газовой трубкой в форме спирали — тоже содержат ртуть, но в меньших количествах. Светодиоды производятся в основном в Японии, Корее, а с недавнего времени — и в Китае, который может обеспечить ими весь мир. С 1999 по 2008 годы производство светодиодов для освещения выросло в 6 раз и продолжает расти.

В Европе против производства светодиодов выступают «зеленые», поскольку в процессе их изготовления используются ядовитые, агрессивные вещества. Но сегодня световые чипы и так производятся главным образом в Азии. А европейские страны развивают сборочное производство светильников с использованием этих чипов. Так же поступают и в России.

Ожидается, что уже в недалеком будущем светодиоды полностью вытеснят источники света предыдущих поколений. Кроме того, на том же самом материале полным ходом идет создание полупроводниковых лазеров синего диапазона. И это уже привело к революции в области записи и считывания информации: компактные диски с повышенной плотностью информации уже появились на рынке.

Любопытно, что и Нобелевка по химии в этом году досталась «прикладникам»: Штефан Хелль (Институт Макса Планка, Германия), Уильям Мернер (Стэнфордский университет, США) и Эрик Бетциг (Медицинский институт Говарда Хьюза, США) — за разработку методов флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. По большому счету, это не совсем химия — скорее, физика в приложении к биологии «с некоторым химическим поворотом», как охарактеризовал эту работу один из коллег лауреатов. Суть: ученые придумали, как можно наблюдать за отдельными молекулами внутри живых клеток. В частности, теперь можно наблюдать за белками, ответственными за болезни Альцгеймера и Паркинсона. А знание молекулярных структур открывает возможности для создания новых лекарств.

Похоже, в этом году Нобелевский комитет решил послать ученым мира месседж: изучение основ мироздания — это важно и замечательно, но иногда нужны идеи, которые делают людей счастливее.

Лауреат премии по физике Хироси Амано

Лауреат премии по физике Исаму Акасаки

Лауреат премии по физике Сюдзи Накамура

Лауреат премии по химии Эрик Бетциг

Лауреат премии по химии Уильям Мернер

Лауреат премии по химии Штефан Хелль