Нобелевская кухня: самый необычный объект в физике

«Да я и сам абсолютно точно знал, что это невозможно, что настоящий однослойный углерод получить не выйдет. Но, во-первых, интересно – если не нельзя получить один слой, можно ли сделать два? А три? Было бы очень занимательно узнать, как в данном случае решается "парадокс кучи". А во-вторых и в-главных, порой вместо того, чтобы рассуждать об эксперименте, лучше просто попробовать его сделать», – отвечает Новоселов.

В лаборатории Андрея Гейма, где тогда работал Константин, эта практичная философия была воплощена в традицию так называемых пятничных экспериментов. Подразумевалось, что любой может испытать свою самую безумную идею, если только это не потребует слишком больших ресурсов. В ходе одного из таких опытов, например, оказалось, что за счет диамагнитных свойств воды можно заставить левитировать растения и животных – достаточно поместить их в очень сильное магнитное поле. Этот полушуточный эксперимент впоследствии принес Гейму Игнобелевскую премию (за несколько лет до Нобелевской), а отважному хомячку Тише, испытавшему на себе действие поля, – соавторство в статье. Было еще много других «пятничных проектов», большинство из которых, конечно, так ни во что и не воплотились. Однако именно в их ряду возникла та самая безумная идея – получения «невозможного» одноатомного углерода с помощью скотча.

«Журналисты давно прозвали нас "мусорными учеными", – шутит Новоселов. – То, что другие десятками лет выкидывали в корзину, мы решили подобрать и исследовать». Речь идет об идее использования техники расслоения материала, которую удалось подсмотреть у микроскопистов: они обычно употребляют графит в качестве стандартного объекта и для того, чтобы подготовить его к исследованию, наклеивают и отрывают липкую ленту. Получается почти идеально ровная подложка, а вот то, что остается на скотче – собственно графен, – всякий раз отправлялось в корзину. Однако в какой-то момент на ее содержимое обратили внимание Новоселов и Гейм – внутри оказался не просто «нобелевский» материал, но один из самых необычных объектов в физике.

Свойства графена описывают исключительно в превосходной степени. Это самый тонкий из всех возможных материалов, самый прочный, самый эластичный из всех кристаллов. Графен совершенно непроницаем для любых молекул, если только специально не сделать в нем дырок (и использовать его как молекулярное сито). Он обладает рекордной теплопроводностью и прозрачнее любых других проводящих материалов, что в сочетании с высокой гибкостью позволяет надеяться на скорое появление прозрачных дисплеев на его основе.

И все же с точки зрения чистой физики все эти превосходные степени бьют мимо цели, ведь самое интересное в одноатомном углероде – это не прочность и гибкость, а необычные электронные свойства, аналогов которых нет ни в одном другом материале. С этой точки зрения графен – уникальная тестовая площадка для разработки самых фундаментальных теорий, своеобразный «ЦЕРН на столе». По словам автора этой метафоры, теоретика Михаила Кацнельсона, за несколько лет существования «живого» графена в теории однослойных материалов произошел гораздо больший прогресс, чем за все те 70 лет, когда он был лишь теоретической конструкцией.

Говорить об этих свойствах, не прибегая к формулам, почти невозможно, но вот лишь пара примеров. Носители заряда в графене ведут себя как частицы без массы покоя – фактически как фотоны в вакууме. Они не обладают инерцией, поэтому графен остается проводником даже в области очень высоких частот. Они могут туннелировать сквозь потенциальные барьеры, причем независимо от высоты последних – такое поведение редкость даже в «обычной» квантовой физике. Графен остается проводником, даже если носителей заряда почти вовсе нет – их нет, а ток есть.

На фоне всех эти экзотических свойств современные применения графена кажутся даже не вершиной айсберга, а лишь одиноким пингвином на его утесе. И пока инженеры продолжают эксплуатировать механические особенности однослойного углерода, Новоселов и другие физики пытаются протянуть мостик к его электронным свойствам, создавая на его основе сложносоставные «сэндвичи». И графен в их составе играет лишь роль первого среди равных.

«Что делает инженер, если ему нужно создать какое-то принципиально новое электронное устройство? Он берет уже существующие материалы (а это почти всегда кремний), изучает их электронную структуру, запрещенную зону и все остальное и, основываясь на этом, пытается сделать что-то новое. В идеале все должно происходить иначе. Чтобы инженер сначала думал о том, что он хочет получить, и уже потом с нуля, слой за слоем, создавал материал для нового устройства». Именно в этом направлении сейчас работает лаборатория Новоселова.

Материалы, полученные наложением однослойных кристаллов друг на друга, – их называют гетероструктурами – потенциально позволяют получать устройства с самыми необычными функциями. Те, что реализованы сегодня, – транзисторы, сенсоры, LED-излучатели – все еще очень далеки от реального применения и пока могут лишь иллюстрировать возможности самого подхода. Но даже эти возможности выглядят весьма футуристично.

«Возьмем, например, просто два слоя графена и поместим между ними любой изолятор, – приводит Новоселов пример из лекции. – Туннелирование между листами графена будет зависеть не только от толщины слоя изолятора, но и от их вращения друг относительно друга, а также их растяжения. Самое интересное, что зависимость силы тока от напряжения даже в таком простом устройстве будет очень необычной: в какой-то момент ток будет уменьшаться, а не расти с напряжением. Мы получим что-то вроде отрицательного сопротивления, что довольно редко можно встретить где-то еще. Такое поведение может найти множество применений, например в высокочастотной микроэлектронике».