Леонід Пономаренко ‒ дослідник матеріалу майбутнього

Найміцніший (в 200 разів міцніший за сталь) і найтонший матеріал (в сто тисяч разів тонший за людську волосину) графен відкрили у 2004 вчені з Манчестерського університету.

Графен вважають одним з найперспективніших матеріалів. Але до можливості використовувати його в транзисторах для цифрової електроніки, а отже – у мікросхемах комп’ютерів, спеціалісти ставилися скептично.

Леонід Пономаренко, британський вчений українського походження, довів, що це зробити реально.

У 2005 році він долучився до команди майбутніх нобелівських лауреатів і згодом винайшов транзистор з графену.

Якщо з’явиться технологія, яка дозволить робити мільйони таких транзисторів, це стане великим проривом, стверджує вчений.

Процесори стануть набагато меншими, а комп’ютери швидшими.

Стаття про це відкриття вийшла у журналі Science – одному з найавторитетніших наукових видань світу.

Леонід Пономаренко розповів УП.Життя про дослідження, які можуть розширити можливості комп’ютерів і про шлях з малого українського містечка до лабораторій в Нідерландах та Англії.

З Буська в Москву

Серйозним науковцям важко пригадати себе дитиною, каже 46-річний доктор наук Ланкастерського університету (Англія) Леонід Пономаренко.

Раз на місяць у хлопчика з міста Буськ, що на Львівщині, було свято: у поштовій скриньці на нього чекав фізико-математичний журнал "Квант".

Декілька днів по тому він жив у наукових статтях, доведеннях і складних задачах.

На розв’язання однієї такої задачі йшов день. Але на всесоюзних олімпіадах діти могли більше і швидше. Хлопчику потрібно було вдосконалюватися.

Фізиком Леонід вирішив стати у восьмому класі.

І хоча на олімпіади далі Львова так і не заїхав, з маленького Буська він вступив до великої Москви в МДУ на факультет фізики.

Леонід став одним з чотирьох медалістів, яких зарахували після першого іспиту на відмінно. Згодом він обрав кафедру низьких температур.

"Існує не так багато галузей, де людина може зробити щось краще, аніж природа, ‒ розповідає вчений. ‒ Наприклад, вищу температуру, ніж у зірках, чи такі енергії, як в космосі, зробити ми не можемо. Але майже в мільйон разів нижчу температуру, ніж існує в природі, ‒ цілком. Я вирішив, що це круто".

Все, чим Леонід займається, досі певною мірою пов’язано з низькими температурами.

Немає грошей – немає досліджень

Зараз Леонід виглядає так, як колись хлопчик з Буська уявляв собі вченого: розумний, в окулярах, з мікроскопом.

Є навіть кріостат, якого не було у мріях. Немає тільки білого халату.

Леонід щасливий, що досі може собі дозволити експериментувати самостійно.

Викладацьке навантаження невелике, разом з ним у Ланкастері працюють двоє аспірантів.

Минає 19 рік, відколи вчений покинув Москву. Про рішення, каже, ніколи не шкодував.

Історія з Москвою і аспірантурою урвалася під час дефолту у "чорний вівторок" 1998.

Стипендії вистачало на чотири дні, на науку грошей виділяли мало.

Леонід намагався підпрацьовувати: продавати газети і здавати квартири, але все – без особливого задоволення.

Врешті – готував дітей до вступу.

"У "чорний вівторок" батьки учнів дружно сказали: "Льоня, вибач, важкі часи". І я вирішив, що тут більше немає чого робити, – пригадує. – Мені подобалась наука. Я був готовий пожертвувати багато чим, щоб займатися тим, чим хочу".

Невдовзі Леоніда запросили до аспірантури в Амстердамський університет. На той час майбутній вчений мав публікації в непоганих журналах, а це, каже, було рідкістю для тодішніх вступників.

Переїзд з найкращого університету Росії до звичайного європейського виявився разючим: у Москві виділяли 30 літрів рідкого гелію (основного матеріалу для досягнення низьких температур) на 30 людей на місяць, в Амстердамі на одного Леоніда – 100 літрів на тиждень.

"Треба було генерувати ідеї і проводити експерименти. Я знав, що мені треба працювати, щоб чогось досягти. Життя науковця на Заході не таке просте, як здається багатьом в Україні", – розповідає.

Треба закінчити аспірантуру, багато років пропрацювати як постдок (за тимчасовим контрактом після захисту дисертації, який не дає можливості самостійно подавати заявки на гранти), переїжджати з міста у місто, "аж поки досягнеш такого рівня, щоб тебе взяли на постійну роботу в університет", каже вчений. І це теж після жорсткого конкурсу.

"Я знаю багатьох, які намагалися виїхати, втрачали декілька кілограмів і поверталися назад, – каже Леонід. – Вважаю, що не завжди потрібно емігрувати. Якщо це теоретична робота і є доступ до наукових бібліотек з свіжими журналами і до конференцій, займатися теоретичною фізикою можливо. Але якщо це фізика експериментальна, залишатися в Україні чи Росії ‒ однозначно програш. Немає грошей ‒ немає досліджень".

Транзистор-прорив

Один із засновників компанії Intel Гордон Мур у 1965 році припустив, що через кожні 18-24 місяці щільність транзисторів у мікросхемах зростатиме вдвічі. Майже весь прогрес полягав у тому, що транзистори зменшувались.

Декілька років тому, зауважує Леонід, закон Мура перестав працювати.

"Схоже, кремнієва технологія вичерпала свої можливості. Раніше можна було передбачити, якою буде швидкодія процесора через п’ять років, якою буде пам’ять. Зараз ми не знаємо, яким буде наступний крок і чи буде він, ‒ пояснює Леонід. ‒ Є фундаментальні обмеження. Графен, напевно, єдиний матеріал, який може дозволити зменшувати розміри транзисторів".

Леонід досліджує властивості графену вже 12 років. До команди манчестерських відкривачів нового матеріалу потрапив у 2005 після аспірантури в Амстердамі.

Він пристав на пропозицію вченого Костянтина Новосьолова і приїхав на інтерв’ю до науковця Андрія Гейма в Манчестерський університет.

(Гейм і Новосьолов у 2010 отримали Нобелівську премію за відкриття графену. Гейм – єдиний у світі вчений-лауреат водночас Нобелівської й Іґнобелівської премії).

В одній із своїх перших робіт Леонід зробив з графену квантові точки і показав, що вони працюють, як транзистори. Такий транзистор має товщину один атом (ніщо не може бути тоншим) і 10-20 атомів у діаметрі.

"Це була моя перша робота, яку ми опублікували в Science, – каже науковець. – Ці транзистори дуже маленькі і можуть працювати навіть при кімнатній температурі, що дуже важливо для нової електроніки. Щоправда, виходу з цієї роботи щонайменше десять років не буде.

Ми поки не можемо зробити навіть двох таких однакових транзисторів, а щоб виготовити мікросхему, нам їх потрібно мільйон. Це головне обмеження. Якщо навчимося – це буде прорив у технології".

З 2011 почали з’являтися інші двовимірні матеріали. В Манчестері вирішили їх комбінувати. Так виникли гетероструктури: матеріал-конструктор, який складається з двовимірних кристалів. Леонід зробив нове дослідження, яке теж з’явилося в Science.

"Якщо забрати з транзистора кремній і замінити на графен, він не працюватиме. Це була проблема. За допомогою гетероструктур нам вдалося зробити інакший транзистор від кремнієвого – тунельно-вертикальний, – додає Леонід. –

Ми і в цьому випадку не знаємо, як робити багато таких транзисторів, але обмеження менш фундаментальні, ніж з квантовими точками. За рік-два, мабуть, ми навчимося виготовляти їх принаймні десятками".

Подальша робота – за інженерами або науковцями-практиками.

Наразі важко сказати, чи зможуть конкурувати ці транзистори з кремнієвою електронікою: вченим ще потрібно зрозуміти, чи вдасться зменшити нові тунельні транзистори до типових розмірів сучасних кремнієвих аналогів.

Але важливий сам факт, що графен можна використовувати в електроніці.

Фото: gereports.ca

Електрони для швидкого Wi-Fi

Кожне наукове відкриття Леонід порівнює з сніговою кулею, яка поглинає повністю, ‒‒ вирішуєш одне питання – з’являються декілька нових:

"Моя основна ціль – зрозуміти природу. Виділяється адреналін. Є ексайтмент. Продовжуєш досліджувати".

З 2013 вчений працює в Ланкастері, але продовжує кооперацію з нобелівськими лауреатами з Манчестера. Зараз досліджує поведінку електронів в графені.

Виявилося, що вони ведуть себе, ніби рідина, а таке в інших матеріалах або не фіксували, або фіксували за дуже обмежених умов.

Така властивість може згодитися, щоб створити потужне джерело терагерцового випромінювання. Наразі існує обмаль таких джерел.

Терагерцове випромінювання може бути корисним доповненням рентгенівських променів у медицині і сканерах в аеропортах. Швидкий Wi-Fi теж краще робити в цьому діапазоні електромагнітних хвиль.

[L]Чи є умови, за яких вчений повернувся б з Англії до України?

"Якби все було так само з наукою, я б переїхав, щоб бути в середовищі, яке говорить рідною мовою, – каже Леонід. – Але я не думаю, що в найближчі десять (це оптимістично) років ситуація зміниться. Навіть якщо все піде тільки вперед.

Якби я залишився тут, довелося б кинути науку.

Проблеми з фінансуванням науки в Україні починаються з того, що і звичайні люди, і влада погано розуміють, для чого потрібні дослідження.

Якщо запитати пересічну людину, що зробили фізики, то відповідь буде – "ядерну бомбу", а хіміки – отруїли навколишнє середовище. Це все ж частина правди, яка часом гірша за неправду.

Якщо забрати все, що нам дала наука за останні сто років, людство просто не виживе".