Завтра будет вручена Нобелевская премия по физике. В этом году ее присудили создателям голубого светодиода. Физик Данил Анисимов — о том, почему изобретение действительно важно.  

За первые четыре открытия в прошлые года присудили Нобелевские премии по физике, а пятый используется в дешевых китайских игрушках из вашего детства. И да, его создатели в этом году тоже получили премию. Несмотря на то, что в прессе это вручение, равно как и сам повод, обсуждалось далеко не так активно, как прошлогодний бозон Хиггса, есть смысл поговорить об этом подробнее.

Большинство из нас пришли в этот мир, когда все революционные открытия в науке и технике уже были сделаны, будь то синтез первых полимеров, двигатель внутреннего сгорания, электрическая лампочка, квантовая механика или интернет. Мы считаем плоды прогресса неотъемлемой частью нашей жизни. Впитав с молоком матери все ценности постиндустриального мира, мы, дети XXI века, не замечаем, как одно изобретение радикально меняет нашу жизнь прямо сейчас. Звучит не так круто, как «глобальная сеть» или «расширение Вселенной», но изобретение светодиодов изменило образ жизни человечества, и Нобелевская премия, врученная в этом году создателям диода синего цвета, — лишнее тому подтверждение. Однако, чтобы убедить в этом тебя, мой скептично настроенный к любой околонаучной статье читатель, нам придется довольно многое обсудить.

В учебниках пишут, что свет в них излучается в процессе рекомбинации электрических зарядов. Если проще, то приложенное к диоду напряжение (прямо как в розетке) создает свет (прямо как от солнца). Несмотря на малый размер, эти устройства светят ярче лампы накаливания и потребляют значительно меньше энергии. Изобрели их в 60-е годы и так сильно этому радовались, что сразу же стали пророчить настоящую революцию осветительных приборов: появилась возможность повсеместно заменить хрупкие и громоздкие лампы накаливания крошечными, но еще более яркими светодиодами.

Развитие светодиодных устройств шло очень быстро: через некоторое время после создания светодиода красного цвета сделали зеленый, а вот после него революцию пришлось отложить. Довольно быстро стало ясно, что по тропе, проложенной первыми диодами, к синему не прийти, а без синего диода не получить белого света, который является простым смешением трех основных цветов.

Тех, кому во всем хочется дойти до самой сути, хочу предупредить: дальнейшие рассуждения окажутся уж точно сложнее, чем вопрос выбора фильтра к фотографии вашего завтрака. Во-первых, стоит объяснить, чем синий цвет принципиально отличается от красного и при чем тут вообще белый. Сначала придется вспомнить, что любой свет можно представить и как поток очень маленьких частиц, названных «фотонами», и в виде волны, подобной той, что разбегается по воде от брошенного камня. Поток состоит из фотонов самого разного рода, но в первую очередь различаются эти частицы количеством энергии, которую они в себе несут.

А белый свет, к которому мы так привыкли, представляет собой смешение всех этих фотонов с разными энергиями. Чтобы создать лампу, хорошо имитирующую солнце, нужно смешать источники света по крайней мере трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Учитывая, что синего диода довольно долго не существовало, создание источника белого света, который был бы удобнее привычных ламп накаливая, оказалось весьма затруднительным.

Будем исходить из того, что все знают о существовании в металлах электронов, которые позволяют электрическому току добегать по проводам от электростанций до ваших розеток. За это свойство металлы и называют «проводниками».

Дырка — антипод электрона, его потерянный в детстве брат-близнец, которого воспитывали в другой семье. Они различаются только зарядом: у электрона он отрицательный, а у дырки — положительный. Когда обстоятельства складываются удачно, например если электрическое поле подталкивает их навстречу друг другу, они так сильно радуются встрече, что исчезают, посылая в бесконечность сигнал о своем единении в виде фотона.

Этот эффект и лежит в основе работы любого светодиода, а цвет излучаемого фотона зависит от энергии, которой обладали электрон и дырка до момента встречи. Если вам вдруг показалось, что вы поняли разницу между дыркой и электроном, самое время сказать, что дырка  — это просто место, в котором электрона нет. Но в квантовой механике отсутствие одного может описываться присутствием другого, так что и мы далее будем считать каждую из дырок самодостаточной частицей.

Но забудем на некоторое время о дырках и попробуем понять, как ведет себя электрон в полупроводнике.

То есть существуют условные электроны-работяги и электроны-лежебоки, третьего не дано. Если работяга собрался отдохнуть, энергия ему больше не нужна, и он без сожаления отдает ее, причем, как правило, в виде фотона. Он бы рад отдохнуть, но электроны не дураки и трудиться начинают, только когда у бара не остается свободных мест, поэтому стать лежебокой непросто: нужно искать свободный стул.

Концепция «работяги – лежебоки» работает и с дырками, но в «перевернутом» виде. Представьте себе такой странный бар на другой стороне улицы, где дырки-лежебоки отдыхают сидя на полу, а работяги трудятся за барной стойкой. Так как каждый работяга мечтает отдохнуть, а лежебока сам свое место не уступит, приходится принимать крайние меры: трудящиеся электроны начинают стремиться за стойку соседнего бара, а работяги-дырки мечтают присесть на свободном полу бара электронов. И все бы ничего, но дверей в этом мире не изобрели, и тем, кто стремится отдохнуть, приходится перепрыгивать из бара в бар через окно. Допрыгивают не все, но зато те, кто долетают и обмениваются местами, во время прыжка излучают фотон, который нам так нужен.

Оба этих бара вместе со своего рода пропастью между ними находятся внутри полупроводника, и все описанные процессы происходят в месте, где пропасть между миром дырок и миром электронов минимальна, там и совершается наибольшее количество прыжков. Разные полупроводники имеют пропасти разной величины, и именно размеры этой пропасти определяют энергию, а вместе с тем и цвет будущего фотона.

И основной проблемой в создании синего диода, затянувшейся почти на 30 лет, было отсутствие материала с подходящей пропастью между лежебоками и работягами, или достаточной шириной запрещенной зоны, если выражаться как ученые.

Большая часть электронных устройств имеет геометрию сэндвича: функциональные слои чередуются в них довольно сложным образом. Но не все материалы укладываются в сэндвич так же хорошо, как вяленые томаты с моцареллой. Для материалов с соответствующей синему цвету пропастью пришлось пошатнуть устои создания бутербродов. С нуля пришлось подбирать не только начинку в виде полупроводниковых кристаллов, но и подложки, на которые все это предполагалось укладывать. В изобретении подходящего рецепта и состоит главная заслуга лауреатов Нобелевской премии по физике этого года.

В начале лихих 90-х в небольшой японской химической компании, занимающейся производством фосфора для цветных телевизоров, было принято довольно рискованное с точки зрения бизнеса решение — профинансировать исследование нового вещества для светодиодов — нитрида галлия. Исследованиями занимался будущий лауреат Сюдзи Накамура. В то время в научной тусовке нитрид галлия был своего рода трендом: все считали, что для создания голубого диода нет материала лучше этого, но никто не знал, как с ним работать. Наш герой первым нашел идеальные ингредиенты для сэндвича с нитридом галлия и предложил способ сложения этих ингредиентов на ломтик сапфирового стекла. В компании производство довольно быстро поставили на поток, что сделало ее крупнейшим в мире производителем светодиодов. За столь важное изобретение наш японец был щедро награжден премией в 200 долларов. Двое других лауреатов, Исаму Акасаки и Хироси Амано, параллельно работали над этой проблемой в Нагойском университете и немного позже получили схожие результаты в независимом эксперименте.

Но наш герой не умер голодной смертью: помимо бонусов, которые причитались к недавней Нобелевской премии, в 2005 году он получил в суде около 8 млн долларов от бывших работодателей. И несмотря на то, что денег ему пришлось подождать, его идея начала захватывать мир со скоростью эпидемии практически сразу же. Надеемся, что он радовался, просто осознавая это, вместо того чтобы считать, сколько он мог бы на этом заработать.

Сейчас существует два способа получения белого света с помощью полупроводниковых устройств:

— комбинация трех диодов разных цветов

— и облучение фосфорных пленок диодами синего цвета.

Можно заметить, что в каждом из этих методов без синего не обошлось.

Кроме того, диодная техника требует такой малой мощности для работы, что питать ее можно даже от солнечных батарей, что сделало возможным освещение в тех местах, где электрические сети отсутствуют вовсе. И речь идет не только о лесе, в который ты отправишься в поход с диодным фонариком, но и об огромных территориях по всему миру, куда цивилизация еще не успела добраться.

Микроскопические размеры светодиодов позволили изготовить на их основе тонкие экраны, c которых вы прямо сейчас читаете этот текст. Диодный лазер голубого цвета сделал возможным создание технологии Blu-ray с самой плотной среди оптических носителей упаковкой данных, а ультрафиолетовые диоды, сделанные по той же технологии, применяются для очистки воды и стерилизации продуктов.

И вполне естественно, что теория Хиггса, в связи с ее триумфальным подтверждением на Большом адронном коллайдере в том же году (важно понимать, что премию дали за теоретическую работу 60-х годов, а не за обнаружение самого бозона), обсуждалась более бурно. Однако стоит признать, что, несмотря на всю ее неоспоримую важность для мира теоретической физики, на вашу жизнь и даже жизнь ваших детей обнаружение «частицы Бога» повлиять не успеет. А изобретение синих диодов влияет прямо сейчас. И вспоминать об этом можно каждый раз, когда вы входите в комнату, включая диодный светильник, и смотрите на экран любого из ваших электронных устройств, в каждом пикселе которого скрывается тот самый голубой диод.