Співпраця з науковими інституціями США, Швейцарії, Франції чи Іспанії для фізичного факультету УжНУ — справа звична. Тут уже давно працюють над проєктами, які дозволяють університету утримувати високі наукові позиції. Такі міжнародні контакти сприяють підвищенню наукового рівня факультету й утвердженню авторитету університету у світі. Один із тих, хто безпосередньо формує ці здобутки, — академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри фізики напівпровідників Юліан Миронович Височанський. З ним ми поговорили про міжнародний проєкт, якому в жовтні буде 2 роки, “П’єзоелектричність в 2D-матеріалах: матеріали, моделювання та застосування”. Проведені дослідження у межах проєкту ляжуть в основу майбутніх розробок нанорозмірних електронних пристроїв на десятиліття вперед.
— Юліане Мироновичу, поділіться, будь ласка, що передує початку таких масштабних міжнародних наукових проєктів?— Для науковця важливо постійно стежити за розвитком науки у галузі, яка його цікавить, з якою він працює. Цьому сприяє, до прикладу, відслідковування наукової літератури. Теперішні інформаційні ресурси дозволяють це робити у реальному вимірі часу. Виходить якась публікація – і наступного дня ви вже маєте інформацію. Крім того, дуже важливим є участь у конференціях. Де ви слухаєте, аналізуйте, зрештою, ви зловите деякі нюанси, на які й не сподівалися. Від кожної конференції ти маєш певні очікування – оглядаєш анонс, дещо для тебе є більш захоплююче, плануєш поспілкуватися з певними людьми, а деколи щось стає для тебе неочікувано цікавим. Такі робочі поїздки це і обмін публікаціями, електронними адресами, а також дискусії. А найголовніше – плани про можливу майбутню співпрацю.
Одна із серій такої співпраці — це подання заявок на проведення експериментів. Наприклад, структурні дослідження при дуже високих тисках. Так ми їздили з колегами у м. Гамбург, де знаходиться Німецький електронний синхротрон (DESY), база якого дозволяє на основі синхротронного випромінювання проводити високоточні дослідження.
Також з колегами проводили дослідження в Інституті Лауе – Ланжевена (ILL) в Греноблі, та в Лабораторї Леона Бріллюена (LLB) в Сакле (Франція), у м. Женева (Швейцарія) у CERN, Європейській організації з ядерних досліджень. Наша робота виглядає так – ми замовляємо експеримент, на панелі розглядається чи доцільно виділяти час, ресурс, обладнання для дослідження і тільки тоді наш запит погоджують.
Так, у черговий раз, ми зібралися на міжнародній конференції з фізики сегнетоелектрики, яка проходила в Тель-Авіві. У нас із колегами виникла розмова, під час якої ми домовилися, що спробуємо організувати проєкт у певному напрямку дослідження, а саме – матеріали шаруваті, товщину яких відщепленням можна зменшити до моношару атомів і спостерігати у них перемикання напрямку спонтанної поляризації електричним полем. А при зміні орієнтації вектора поляризації, змінюється знак деформації зразка внаслідок п'єзоелектричного ефекту. Працюють так звані електромеханічні ефекти. І такі
властивості, для сучасної електроніки дуже важливі, тому що можна створювати сегнетоелектричні діоди, транзистори, електронні аналоги синапсів, тобто імітувати нейроморфні розрахунки, що відтворюють обчислювальний процес, який характерний для мозку людини. Також на основі цих матеріалів можна створювати, і ми вже маємо публікацію в співавторстві щодо цієї теми, системи машинного зору, тобто це є передові технології в наноелектроніці, які для різних галузей науки, технології, техніки застосовуються, і для спеціальних призначень також.
Тож ця домовленість дала свої результати – коли було оголошено черговий конкурс Європейської комісії по програмі «Горизонт Європа», ми вирішили подати свою заявку. А саме: Ужгородський національний університет, Інститут фізики НАН України, Університет Авейру (Португалія), Університет Більбао (Іспанія), Технічний Університет Данії та Інститут низьких температур та структурних досліджень ПАН (Вроцлав, Польща).
Готували цей проєкт близько року, він пройшов оцінку, набрав прохідний бал і успішно затвердився. Ми уклали досить обширний договір з Європейською Комісією. І таким чином, почав виконуватися проєкт. У жовтні цього року йому буде вже два роки. Ми мали вступну нараду у Вроцлаві, також робоча нарада була у Авейру. В ході виконання проєкту було прийнято рішення долучити ще Інститут Фізики Ризького Університету.
Цьогоріч у травні також відбулася робоча нарада у Ризі за участі представників Єврокомісії. Уже в плані підготовки нашого звіту за дворічний період виконання проєкту. Наразі ми постійно розміщуємо інформацію про хід виконання проєкту на сайті Єврокомісії. І крім того, ведемо сайт самого проєкту, на якому ми розміщуємо матеріали про наші наради, наукові семінари, публікації та тези доповідей.
У межах проєкту, для отримання нових досвідів, регулярно відбуваються робочі поїздки. Зокрема, я вже бував у Португалії, Польщі, також заплановані візити в Данію та Іспанію. Надіємося, що отримаємо позитивну оцінку, тому що фінансування виділено на два роки (такі умови виконання проєкту). При позитивній оцінці, Єврокомісія продовжить фінансування на наступні два роки.
— Чому цей напрямок зараз є важливим та актуальним для наукової спільноти фізики?— Інформаційні технології – основа майже всіх галузей діяльності, від освіти, медицини, логістики, комунікацій до соціальної... Згідно оцінок, у зв'язку із величезною кількістю інформації, яку обробляють дата-центри чи центри обробки даних, вже на ближчі роки енергія споживана наявними комп'ютерними технологіями, перевищить енергію, споживану промисловістю, комунальний сектором, транспортом у світовому масштабі.
Тобто зараз є надактуальною задача зменшити енерговитратність обчислювальних систем, всіх цих серверів, процесорів, які забезпечують обробку інтернет-трафіку, обчислення тощо. Ідеться поки що про класичні комп'ютери, не про квантові комп'ютери, які з часом також будуть широко застосовуватися.
Зменшення витратності забезпечується, якщо зменшити розмір та збільшити щільність функціональних елементів, транзисторів. Раніше діоди чи транзистори були розміром близько п'ять міліметрів – можна було відкрити плату, щось замінити чи перепаяти. Потім прийшла мікроелектроніка, коли йдеться вже про долі міліметрів, соті долі міліметрів. А ще пізніше прийшла наноелектроніка. Зокрема, гетероструктури з атомних моношарів. Тож виявляється наші матеріали є дуже ефективними складовими для створення нанорозмірних функціональних гетероструктур.
Їх можна інтегрувати при розробці функціональних елементів (транзисторів), розміром 2-3 нанометри. А 1 нанометр (нм) — це одна мільярдна частина метра, 10
-9 метра. Тож 1 нанометр – 20 атомів водню. Це функціональні елементи на рівні атомарних розмірів. І виявилося, що також можливе керування не тільки орієнтацією вектора поляризації, а також в комбінації зі зміною орієнтації вектора намагніченості. І це нам показало широкі можливості. У нанорозмірному масштабі, коли зменшується розмір – збільшується швидкодія, зменшується енергоспоживання, і вирішуються ті проблеми, з яких ми почали. А саме — забезпечення обробки інформації, передачі даних на дуже високих частотах.
Тож є великий попит у застосуванні матеріалів, які ми розробляємо. Можна до одиниць нанометрів зменшити товщину кристалічних пластин, створювати гетероструктури з шарів ріного хімічногоскладу. Це ми з колегами з Ок-Риджу (США) описали ще в нашій першій публікації в 2015 році, через рік ці дані підтвердили вчені із Сінгапуру та Китаю.
Тож маємо надію, що наш проєкт буде результативний і стане основою для наступних. Моїми колегами в цій роботі є доценти Артем Погодін (кафедра неорганічної хімії), Антон Когутич, Антон Глухов, професор Олександр Молнар, старші наукові співробітники Віталій Любачко, Микола Медулич, Руслан Євич, науковий співробітник В’ячеслав Гриць. Звичайно, хотілось би, щоб до нас долучалися більше молодих вчених, щоб ця тематика збагачувалася і розвивалася.
— Якою базою для досліджень послуговуєтесь?— Ми маємо хорошу базу на кафедрі, а також в ННІ хімії та екології УжНУ в плані технологій отримання матеріалів, це також стосується бази для оптичних, електрофізичних досліджень. Використовуємо обладнання Центру колективного користування науковим обладнання УжНУ. Проте, як я вже згадував, для застосування синхротронного випромінювання чи нейтронних пучків, звісно, ми залучаємо можливості дослідження міжнародних центрів – зокрема у Греноблі та Гамбургу. Близько п’яти років у нас є спільні дослідження з СERN. До речі, серед чотирьох провідних українських наукових установ, що співпрацюють з СERNом, відзначений і УжНУ. Так що є певні експерименти, для яких залучаються ресурси міжнародних центрів. Кожен науковий центр має специфічні наукові комплекси для передових досліджень. Йдеться про дуже спеціалізоване обладнання – прискорювач електронних пучків, прискорювач високоенергетичних заряджених частинок. Також співпрацюємо з Університетом Цюриха, з яким недавно в нас почався паралельний проєкт, керівником якого є професор Олександр Грабар.
— Яким чином відбувається комунікація щодо проєкту з вашими закордонними колегами?— Щодо комунікації – сьогодні з цим немає ніяких проблем. Я пам'ятаю час, коли ми започаткували першу електронну пошту в УжНУ і Інтернет центр знаходився на біологічному факультеті. Це був, здається, 1993 рік. Поставили величезну супутникову тарілку – це була велика ідея для нового електронного зв'язку між науковцями. Ми ходили з м'якими дискетами, ще жорстких не було, носили з кафедри на кафедру, отримували листи, роздруковували, але це вже був прогрес величезним у той час. Ось так розвивались комунікації.
Зараз ми списуємося чи зідзвонюємося з колегами деколи багаторазово на добу – по Zoom, WhatsApp, GoogleMeet. Все-таки чудово, що зараз є такі можливості, не тільки стосовно пошуку літератури, а й зв‘язку та спілкування.
— Чи можете окреслити проміжні результати вашого проєкту за ці два роки?— Основними результатами можна вважати те, що для цих матеріалів досліджена температурна залежність теплоємності і теплопровідності до дуже низьких температур. Ми знаємо, що температура кипіння зрідженого гелію 4,2 градуси Кельвіна, тобто на 4, 2 К вища абсолютного нуля. Як нам відомо, абсолютний нуль є недосяжний, але можна опуститися на тисячні долі Кельвіна вище абсолютного нуля.
Так, нам вдалося, спільно з колегами з Вроцлава, дослідити властивості цих матеріалів до десятої долі градуса Кельвіна. І виявити ефекти особливої поведінки температурної залежності теплоємності при охолодженні нижче одного градуса Кельвіна – теплоємність починає зростати, що є неочікуваним результатом. Здавалося б, за класичної моделі, моделі Ейнштейна, моделі Дебая – теплоємність повинна плавно зменшитися до нуля. Ну і виявилося, що природа цього явища зумовлена таким фактом, що в кристалі є катіони індію, які знаходяться в трьохямному потенціалі. Цей потенціал в полярній кристалічній структурі перехиляється, і трансформується в двохямний - центральна потенціальна ямка і бокова вирівнюються майже на однаковій енергетичній висоті, але між ними є бар'єр, дуже низенький. Виявляється, оцей маленький бар'єрчик, проявляється при дуже низьких температурах. Проникнення катіонів індію через мізерний бар'єр зумовлює спостережуваний ефект теплоємності, такий неочікуваний результат. І тепер готуємо публікацію. Надіємося підготувати цікаву статтю, ну якщо не в Nature Communications, то може в Phys. Rev. Letters, в найбільш топовий журнал із фізики.
Розмовляла Ганна Фельцан,
Інформаційно-видавничий центр
Підписуйтесь та читайте новини Закарпаття у нашому Телеграм-каналі та нашій сторінці у Facebook
