Володимир Литовченко — визначний український учений-фізик. Доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України, почесний академік Академії наук вищої школи України, президент Українського фізичного товариства. Він — один з фундаторів української школи фізики поверхні твердого тіла. Теоретичні та експериментальні дослідження напівпровідникових шаруватих структур, які широко застосовуються в інтегральній мікроелектроніці, відкрили якісно нові технологічні можливості. «Українське Слово» звернулося до Володимира Григоровича з проханням розказати про фізику та фізиків в Україні.
— У чому полягає діяльність Українського Фізичного Товариства, яке Ви очолюєте?
— Українське Фізичне товариство (УФТ) — це громадська організація, яка є ровесницею Незалежності. Своїм впливом вона охоплює діяльність фізиків різних рівнів: вчителів середніх шкіл, викладачів вузів, наукових працівників, які працюють у галузі фізики і споріднених напрямків. До них належить мікроелектроніка та електроніка — фізика є базовою наукою для сучасної електронної промисловості та інших індустрій.
Оскільки УФТ об’єднує всі галузі фізики, то ми повинні розуміти інтереси викладачів, науковців і студентів. Щоб виконати цю місію, ми проводимо семінари і конференції найбільш високого рівня. Зокрема, в Інституті напівпровідників ми опікуємось конференціями з фізики напівпровідників, сенсорів, напівпровідникових матеріалів.
УФТ взаємодіє з іншими науковими товариствами, зокрема Всеукраїнською астрономічною асоціацією, якою керує академік Яцків, Математичним товариством, Оптичним товариством. Наше Фізичне товариство одне з найбільш дієвих — воно є асоційованим членом Європейського Фізичного товариства (ЄФТ). Президент УФТ входить у виконавчий комітет ЄФТ.
Уже відбулись два загальноукраїнські з’їзди фізиків, які проходять приблизно раз на десять років. УФТ пропагує досягнення українських фізиків та знайомить з досягненнями зарубіжних науковців. Ми сприяємо отриманню нехай невеликих, але систематичних грантів, передусім, від ЄФТ та інших організацій за рекомендацією УФТ. Товариство проводить роботу по участі наших науковців у конференціях за кордоном, а також приймаємо у себе іноземних вчених по лінії УФТ.
П’ять років тому у Києві відбулося спільне засідання виконавчого комітету ЄФТ і УФТ, де ми обмінялись з європейцями інформацією про наші досягнення. У 2011 році я персонально був запрошений на з’їзд Польського фізичного товариства, який перетворився фактично у зібрання ЄФТ у зв’язку з тим, що той рік був оголошений ЮНЕСКО Роком Марії Склодовської-Кюрі. У 1911 році Склодовська-Кюрі отримала Нобелівську премію з хімії, а перед тим мала Нобелівську премію з фізики за відкриття радію. І оскільки вона полька, то вони її дуже шанують і використовують її всесвітній авторитет до цього часу.
У Любліні є університет імені Склодовської-Кюрі і фізичний інститут, де вона досить довго працювала. На цій конференції я виступав з доповіддю про здобутки українських фізиків.
— Який нині стан української фізики, головні здобутки і проблеми?
— В Україні успішно розвивається фізика напівпровідників, сенсорів, напівпровідникових матеріалів, металів, діелектриків і, як прикладний вихід, це сенсорна електроніка і мікроелектроніка.
Зараз інтенсивно розвивається наноелектроніка і наноматеріалознавство. По суті, наноматеріалознавство виросло з напівпровідникової галузі знань. Перші ефекти, пов’язані з переходом до надмалих нанорозмірів («нанометр» означає одну мільярдну частину метру), були помічені у напівпровідниках саме на поверхні, а поверхня — це дуже тонкий шар, який має саме нанорозмір. Оскільки на поверхні відбуваються явища, радикально відмінні від тих, які мають місце в об’ємі того ж матеріалу, то ми почали інтенсивно вивчати їх, а потім і використовувати, передусім у розвитку надвисокочастотних приладів. Оскільки відстань мала, то, очевидно, електрон буде проходити таку відстань дуже швидко. А проходження електрона можна реєструвати. Це все приводить до появи нової галузі фізики, яка має і велике практичне застосування в сучасній електроніці, що потребує великої швидкодії.
— Наукові досягнення — це праця конкретних людей. Хто творив і творить фізику в Україні?
— Виступаючи у Любліні, я вкотре, на жаль, переконався, що наші фізики у багатьох випадках, якщо і знані, то, здебільшого, вважаються представниками «вєлікого і нєдєлімого», який, на жаль, розпався так пізно.
Я згадав фізиків, які ще до війни працювали в Україні. Зокрема, ядерна фізика до війни у СРСР, в основному, зосереджувалась у Харкові в Українському фізико-технічному інституті. Це Лев Ландау і його школа. З експериментаторів я згадав професора Лева Шубнікова, який відкрив так званий ефект Шубнікова — де Гааза. Це ефект осциляції провідності та інших характеристик у магнітному полі, який зараз активно використовують у наноелектроніці. Якийсь час ще в 1920-ті роки він працював у Голландії у лабораторії у де Гааза і там відкрив цей ефект. Пізніше, у 1934 році, вже повернувшись у Харків, Шубніков відкрив надпровідність другого роду, яка обумовлена певного типу дефектами і розширює область надпровідності на вищі температури й магнітні поля. Це відкриття — одне з найбільш вживаних на практиці, саме завдяки йому працює, наприклад, відомий Великий адронний колайдер у ЦЕРН.
Недавно минуло 75 років з дня відкриття цього ефекту. Ювілей відзначали в українських та міжнародних фізичних журналах. ЄФТ до цієї події замовив спеціальну статтю. Шубніков — знана у світі постать, але його згадують як російського фізика, якого було розстріляно десь на початку зими 1937 року. Тоді знищили більшість фізиків, яким раніше довелося попрацювати певний час за кордоном — їм легко було приписати «шпигунство». Вцілів хіба що пізніший нобелівський лауреат, відкривач надплинного гелію Петро Капиця. Він був поріднений зі славетним Резерфордом і його не зачепили. До того ж, його роботи з отримання зріджених газів мали велике значення для «оборонки». Але і на нього був великий тиск.
Варто згадати київських фізиків, зокрема академіка Вадима Лашкарьова. Це — фундатор нашого інституту, який за кілька місяців до війни у журналі «Вісті Академії Наук СРСР» і «Журналі технічної фізики» опублікував статтю про відкриття pn-переходу. Це така структура, яка складається з двох контактуючих напівпровідників — в одній частині електрони проводять струм, а в другій — дірки. Тобто в одній частині є позитивні заряди, а в другій — негативні. На контакті створюється бар’єр. Бар’єр діє, як ворота між шлюзами. Керують цим бар’єром, прикладаючи електричне поле. Так створюються діоди, а потім були винайдені і транзистори, де pn-перехід є головним елементом. Це відкриття зафіксоване документально, але, на жаль, не стало широко відомим. Недавно ми видали спецвипуск «Українського фізичного журналу» — «Золоті сторінки української фізики», у якому зібрали найвидатніші роботи останніх 80 років. Була там уміщена й перша стаття Лашкарьова про pn-перехід, який є головною структурою сучасної напівпровідникової електроніки.
Видатним фізиком-теоретиком нобелівського рівня був наш земляк, академік Микола Миколайович Боголюбов. Він у 20 років захистив у Києві докторську дисертацію (формально не закінчуючи університету — всі знання він здобув самостійно!), ще до війни працював у Москві у різних інститутах, у Чернівецькому та Московському університетах, потім — уже після війни — заснував Інститут теоретичної фізики Академії наук України в Києві і довгий час був його директором. Він був одним з тих, хто разом з Гінзбургом і Ландау запропонував теорію надпровідності. Надпровідність була відкрита ще у 1911 році. Явище полягає у тому, що при дуже низьких (усього на декілька градусів вище від абсолютного нуля, тобто десь — 270 градусів за звичною для нас шкалою Цельсія) струм у деяких металах тече як завгодно довго. Тобто немає жодного опору — нема втрат. Це дуже важливе явище, бо струм створює навколо себе магнітне поле. Зараз роблять поїзди на магнітній подушці між двома магнітами і оскільки це відбувається без помітної втрати внаслідок тертя, то такі системи дуже економні. Але поки що це тільки дослідні зразки, бо й досі створення надпровідності потребує низьких температур.
Боголюбов був також номінований на Нобелівську премію, але так сталося, що він був четвертим у списку, а отримали премію 1972 року Бардін, Купер, Шифер — американці, бо Нобелівська премія присуджується не більше, ніж трьом особам. І ось йому не пощастило, а потім виходило так, що йому могли дати Нобелівську премію за роботи з математичної фізики (за чисту математику премії Нобель не встановив), але він вже до цього не дожив.
І ще два приклади. Наступний після Боголюбова директор Інституту теоретичної фізики академік Олександр Давидов відкрив особливості структури органічних молекул, які зараз ввійшли у підручники і називаються Давидовським розщепленням. Давидовське розщеплення є класичним явищем у фізиці багатомолекулярних структур.
Олексій Ситенко був видатним фізиком у галузі плазми, у тому числі і ядерної плазми. Після Давидова він довгий час також був директором Інституту теоретичної фізики, головою Всесвітньої конференції з плазми. Вона зараз так і називається: «Ситенківська конференція».
І ще один приклад. До війни Дмитро Іваненко, наш фізик, який працював тоді в Харкові, запропонував модель ядра, яка враховувала наявність у ньому частинок двох типів — протона і нейтрона, і це ще до того, як нейтрон відкрили експериментально! Ядерна модель Іваненка використовується й досі. Але хоч і народився Іваненко в Полтаві, хоч головний результат свій отримав в Україні, у довідниках (причому навіть виданих і нашою Академією), про нього досі пишуть як про «російського фізика»!
— Ваша розповідь про традиції української фізики дуже цікава. Як українські фізики виглядають на фоні світової науки?
— Якщо охарактеризувати теперішній стан фізики, то треба сказати, що і у минулому, і тепер за деякими напрямками ми на світовому рівні. Але в деяких напрямках були, і тим більше є зараз, на дуже невисокому рівні. Зокрема, це напрямки, пов’язані з високою технологією. Високі технології фактично орієнтуються на так звані високовакуумні променеві системи, коли можна, так би мовити, буквально поатомно осаджувати і «друкувати» на підкладинці різні структури. А це завдання значно складніше від того, яке виконав колись герой «Лівші» Лєскова. В основному, високотехнологічні системи розвивались на Заході — в Європі і Америці. Вони дуже дорогі, тому купувалися та «осідали» (оскільки були обмеження для продажу до СРСР) в «стратегічних» установах (на 95 % у Росії і тільки 5 % валюти йшло в інші республіки).
Так загальносоюзні розробки гамузом перейшли в спадок до Росії. Там досі є сучасні установки молекулярно-пучкової епітаксії і установки по іонній імплантації. Високотехнологічне устаткування зосереджене по деяких центрах — це Москва, Петербург, Нижній Новгород і, нарешті, Новосибірське академмістечко.
А ми через нашу бідність на заміну цих дорогих високих технологій використовуємо принципи самоорганізації. Тобто пропонуємо такі процеси, щоб можна було отримати наноструктури, наприклад, за рахунок того, що сама природа їх створює, а ми підштовхуємо. Це напрям керованої самоорганізації — той напрямок, який у нашому інституті дуже розвинений і дає можливість отримувати добрі результати. І не тільки у нас. У Чернівецькому університеті, з яким ми контактуємо, проводять дослідження складних напівпровідників. З одного боку, це нова технологія, а, з другого — це теоретичне і фізичне осмислення, а також комп’ютерна обробка. Тут ми цілком на світовому рівні.
Хочу показати це на особистому прикладі. Ще у 1962 році я був запрошений у редколегію нового журналу «Surface Science» (тобто «Наука про поверхню»), присвяченого дослідженню широкого кола явищ, що відбуваються не в товщі речовин, а на її поверхні або в дуже тонких плівках (як, наприклад, в біологічних мембранах), який започаткували американці. Він і зараз є головним у світі з цієї тематики. З колишнього СРСР я був один запрошений у цей журнал. Зі мною разом до редколегії запросили трьох нобелівських лауреатів — зі США, Великої Британії й Німеччини, а також провідних учених з інших країн. Ось така була компанія. Спілкування з цими вченими світового рівня давало можливість підтримувати рівень наших досліджень на належній висоті.
Так, нас запрошують на конференції по сонячній енергетиці. Інститут напівпровідників проводить активну роботу з сонячним енергоперетворенням. Це екологічно чиста енергія, хоча у промисловому плані вона у нас розвинута не дуже сильно. Правда, є деякі приватні організації, наприклад, КВАЗАР (Київ), які підтримують імідж нашої країни по сонячних батареях на належному рівні. Цей напрям відновлюваної енергетики в економічно розвинутих країнах масштабно фінансується державою.
У наших розробок досить пристойний теоретичний рівень, ними керував професор Горбань, мій кращий учень, під чиїм керівництвом розробили систему живлення першого українського супутника. Вона виявилася кращою у колишньому Союзі. Потім ми розробили, разом з інститутом Патона, так званий, малий мобільний геліозварювальний центр. А далі треба було, щоб промисловість його підхопила. А вона у нас не дуже схильна до того. Додам, що для космосу ціна не грає ролі, але для побутових речей ціна все визначає. Так, автономне живлення дорожче, ніж звичайне живлення, але для чого воно призначено? Для моря, гір, пустель. Повинна бути кооперація і пошук споживача.
— Але біда тим промисловцям, які не можуть використати наукові досягнення.
— Кажуть, для них кращі «цільнотягнуті» вироби, тобто повністю стягнені з-за кордону.
— Ви учень академіка Лашкарьова, засновника фізики напівпровідників Україні. Коли ви починали, уявляли, куди приведуть досягнення в галузі напівпровідників?
— Я ще в університеті був активним і бігав по лабораторіях, де можна було брати участь у дослідженнях і задовольнити власну цікавість. Спочатку я був у професора Герцрікена на рентгенівській фізиці. Потім працював у електроніці, в електровакуумній електроніці, у доцента Гуртового.
У мене була знайома старшокурсниця, я знав її ще зі школи, і тоді припали до душі розмови про напівпровідникові системи — випрямлячі, маленькі детекторні приймачі тощо. Тобто було таке загальне бажання, а потім, коли я вже закінчив університет, то мене спрямували до створюваного Інституту напівпровідників. Я почав усвідомлювати, що це дуже важливий стратегічний напрям. Коли я закінчив кандидатську дисертацію і побував на деяких міжнародних конференціях, то зрозумів, що саме мікроелектроніка є центральним напрямком.
Вся комп’ютерна техніка, яка перевернула інформаційну сферу, стала можливою тільки завдяки мікроелектронній матеріальній пам’яті та інтегральним схемам, бо напівпровідники прийшли на зміну вакуумній електроніці, коли електрони рухались у вакуумі громіздких і крихких ламп, що було енергетично дуже неефективно (адже катоди треба було розжарювати).
А у напівпровідників — внутрішня електроніка, без виходу електронів з речовини у вакуум, тому там електрони самі у речовині і їм не треба «грітися». Просто змінюється електричний бар’єр і вони переходять з одного місця в інше. Тому напівпровідникова електроніка привела до того, що комп’ютери, які колись займали по декілька кімнат, зараз зведені до розміру мобільного телефону.
Усвідомлення важливості приходить пізніше і, оскільки не можна охопити неосяжне, то треба зосереджуватись на якихось конкретних речах. У відділенні, яке я очолюю, є чотири відділи і одна лабораторія, які мають справу саме з технологією, частково з самоорганізацією, частково з високою вакуумною технологією. З досліджень — це оптичні дослідження, низькі температури. І, нарешті, це застосування. Застосування сонячних перетворювачів та сенсорів екологічно небезпечних газів передбачає розробку економних конструкцій. Велика проблема у сонячній напівпровідниковій електроніці зараз — її висока вартість. Вартість «сонячної» енергії поки що в декілька разів перевищує звичайну. Це тому, що, хоча коефіцієнт корисної дії сонячних перетворювачів набагато більший, ніж у традиційних теплових джерел енергії, існує така принципова особливість, що кожний напівпровідник може перетворювати в електричний струм тільки деяку певну частину сонячного спектру. А на іншу частину треба інші напівпровідники. Якщо ви хочете ККД 60 %, або й більше, то треба багато напівпровідників. А це вартість.
Тому ми думаємо, як зменшити вартість і зробити відповідну конструкцію. Наша ідея полягає в тому, щоб зробити композит, у якому «надрукувати» чи інкорпорувати багато маленьких напівпровідників і далі з’єднати їх в одну батарею.
Другий напрямок — це органіка. Такі речовини завдяки величезній тривалості еволюції природа створила настільки досконалими, що ці системи нам поки що точно і не можна відтворити. Ось якщо б ключик найти до цього!
І нарешті ще є сенсори. Це ті системи, які дозволяють реєструвати зовнішні впливи й чинники. Є газові сенсори, щоб відчувати різні екологічні шкідливі речовини. Є сенсори тиску, які аналізують звукові хвилі. А ми займаємося газовими сенсорами на основі напівпровідників.
— Сумарне споживання енергії людством продовжує зростати. Які проблеми це викликає? Як запобігти кліматичним змінам? Чи може наука допомогти у вирішенні цих проблем?
— Виклики дійсно є. Перший виклик — це кліматичні зміни. Доведено майже на 100 % зв’язок кліматичних змін із тим, що людство виробляє так багато енергії, що природа не встигає репродукувати навколишнє середовище. Це наочно видно, коли на Амазонці вирубують ліси. Навіть збільшення площ сільськогосподарських культур змінює навколишнє середовище. Відомо, що за останнє століття температура поверхні землі підвищилась приблизно на один-два градуси. І цей процес прогресує.
Основне джерело загрози забруднень — це наші теплові генератори енергії, засновані на вуглеводнях. Це системи, які глобально змінюють атмосферу і приводять до парникового ефекту. Яка тут альтернатива? Зауважимо передусім, що досить обмеженими є запаси вуглеводів — нафти і газу. Запаси паливного урану також обмежені, бо ми далеко від тієї точки, коли земля створювалася. Тоді його було більше. А тепер земля сховала важкі елементи якомога глибше. А тих, що залишились, катастрофічно бракує.
Відтворювані джерела — вітер, припливи — не дуже ефективні, бо не можна поставити багато вітряків, починаються порушення міграції птахів і взагалі навколишнього середовища. Ядерна енергетика має свої застереження. Для використання гідроенергетики треба затоплювати величезні площі і поступово висушуються навколишні ґрунти.
Невичерпним джерелом енергії ще на мільярди років є сонце. Промені, які до нас доходять — це енергія, яку треба перехопити. Є такий барельєф на камені, коли єгипетський фараон Ехнатон піднімає руки, бере сонце і передає далі на рослини. Людство приречене безпосередньо використовувати сонце, перетворюючи його промені у електричну та інші види енергії. Тут напівпровідники, принаймні зараз, є домінуючими і безальтернативними.
Важливо, що земля не повинна перегріватись. Зараз енергія, яку виробляє людство, складає менше 0,01 % тої енергії, яка падає на землю, але ця частка весь час збільшується. Але, використовуючи сонячну енергію, ми не «гріємо» землю додатково, а просто перерозподіляємо енергію, яку й так отримуємо від сонця. Саме це й треба робити, щоб відвернути глобальне потепління. Зараз міжнародні організації намагаються це зробити (згадаймо Кіотський протокол, продовження цього протоколу). У цьому напрямку наша фізика, отже, теж працює.
— Що треба зробити, щоб українська фізична наука отримала умови для розвитку?
— Що я можу сказати? Ситуація зараз така, що, попри цікавість до дослідницької роботи, молодь не надто тримається науки. Наука перестала бути престижною. Головним недоліком, і не знаю, чи швидко його можна ліквідувати, є залишковий принцип фінансування науки. У такій країні, як Польща, рівень фінансування науки приблизно 1,5 % ВВП. У Німеччині дають більше 2 % ВВП на науку. У США ще більше. А у нас — приблизно 0,3 % ВВП.
Це дуже низький рівень. Нам ніхто дешевше установки не буде продавати. Це значить, що ми у 10 разів менше можемо купити установок, ніж Польща. Отже, у 10 разів повільніше буде розвиватись наука. І зарплата наших учених приблизно у 5 разів нижча, ніж у найближчих наших західних сусідів. А такої мінімальної зарплати, як у нас, взагалі в Європі нема. Адже у нас інженерні і технічні працівники отримують зарплату 1300–1500 гривень. Це значить дещо більше 100 євро. Соромно нам говорити про таку зарплату!
Після отримання незалежності міжнародні організації спочатку дуже нам допомагали: фінансували виїзди на конференції, деякі прилади спонсорували, але зараз вони вже цього не роблять. Вони звикли, що після того, як щось вкладається, то далі вже ми самі маємо «побігати».
Тому потрібна велика національна програма розвитку фізики, електроніки та високих технологій. Фінансування науки треба збільшити принаймні у 2–3 рази, взагалі можна сказати, що це може стати найкращою інвестицією української влади. Потрібно провести певні організаційні зміни для фінансування, контролюючи витрати по кінцевому результату.
На жаль, кожна влада, яка була у нас і є, не дуже опікалась наукою. Хіба що Кравчук підтримав створення Національної наукової ради і тоді нас багато підтримували із заходу: діаспора, Сорос і західні університети, з’явились спільні дослідження на основі приватних контактів.
— Ваша родина завжди була україномовною. Українською завжди розмовляла на роботі Ваша покійна дружина Наталя Митрофанівна. Сьогодні Ви головний організатор усіх просвітницьких акцій в Інституті фізики напівпровідників. Чи легко українцю бути фізиком і фізику — українцем?
— Попри всі негаразди, приємно бути українцем. У мене були пропозиції роботи у Москві, в Мікроелектронному центрі біля Москви, в Новосибірському академмістечку, в Індії. Але не матеріальні моменти, а прив’язаність до України, до людей, з якими співпрацював і спілкувався, змусили відмовитись від виїзду з України.
Україна — це мої рідні, з діда-прадіда, ще з докняжих часів, це — рідні мені ліси, садки і поля, це — наші міста і села, це — той добрий люд, що їх населяє, це моя рідна українська мова і культура моєї країни. Я впевнений — Україна має достойну, заповідану нам Тарасом Шевченком, національну ідею на теперішній час і на майбутнє. Це — наша душа — КУЛЬТУРА, наше СЛОВО, наша УКРАЇНСЬКА МОВА.
Бо сказано: СПОЧАТКУ БУЛО СЛОВО.
Розмовляв Євген ПЕТРЕНКО
|
|
