Когда дефект даёт эффект

Частицы? Элементарно!

Ещё в магистратуре Самарского госуниверситета Альбина Гурская начала серьёзно заниматься теоретической физикой. В частности, делала расчёты моделей суперсимметрии, одного из наиболее популярных вариантов развития главной физической теории, так называемой Стандартной модели, которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц. Гипотеза суперсимметрии предполагает, что у каждой из них существуют двойники, или суперпартнёры. Они «родились» вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва, затем стали намного тяжелее обычного вещества и распались, «остатки» образовали тёмную материю, из которой почти на четверть состоит наша Вселенная.

Гурская даже смоделировала из гипотетических частиц звезду. Это было летом 2012 года, когда учёные, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), обнаружили бозон Хиггса. Напомним, британский физик-теоретик Питер Хиггс и его бельгийский коллега Франсуа Энглер, предсказавшие новую фундаментальную частицу, получили за это Нобелевскую премию. С находкой нового, самого тяжёлого бозона в семействе элементарных частиц, завершилось формирование Стандартной модели.

– Столько было работ, столько радости, и моя кандидатская диссертация была посвящена свойствам революционной частицы, – говорит Альбина. – Первый год мы искали второй хиггсовский бозон, считая, что он не один. В 2014 году в рамках финансирования, предоставленного компанией «Иннопрактика», я побывала на самом адронном коллайдере. Тогда же, кстати, учёные БАК, проведя исследования при максимально высоких энергиях столкновениях частиц, заявили, что говорить о существовании ещё одного бозона Хиггса не приходится. И мне пришлось переделывать диссертацию, менять тему с методики вычислений на объяснения, почему частица может быть невидимой. Её действительно невозможно зарегистрировать, поскольку она состоит не из того, из чего состоим мы все. Такая вот гипотеза.

Полезные дефекты

Сейчас наш учёный-физик занимается исследованиями в области изотопического материаловедения. Это научное направление зарождается у нас на глазах, но у Гурской интерес к подобной тематике развивался со студенческих лет. – Тогда я исследовала возможную сверхпроводимость меди. В Тольяттинском госуниверситете в своё время выращивали так называемые пентагональные частицы. «Пента» – от греческого «пять», и мы понимаем, что кристаллы с пентагональной симметрией, по сути, невозможны или возможны только тогда, когда у них есть какой-то дефект. Если посмотреть на эти частички, мы увидим, что они похожи на звёздочки из меди, а грани и есть дефекты. Есть теория, согласно которой на этих дефектах можно повысить температуру сверхпроводимости.

Значительный опыт изучения кристаллического строения Альбина Гурская получила, будучи сотрудником Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (сегодня – международный научно-исследовательский центр по теоретическому материаловедению Политеха. – Прим. ред.).
– Там я начала погружаться в мир металл-органических каркасов, интерметаллидов. Я всё время пыталась понять, что происходит со структурой, как она устроена и как можно смоделировать дефект – здесь много интересных проблем. Если у нас есть кристалл и мы заранее знаем, как он устроен, можно просто «выдернуть» какой-то атом или «вставить» вместо него другой. Но это идеализация, потому что, вставляя более тяжёлый атом, мы подвергаем деформации всю решётку. И существуют более сложные типы дефектов, которые смоделировать непросто.

Изотопы сопротивляются

Идея создания необычного источника питания для микроустройств путём наращивания структуры, или плёнки, на кремниевые подложки и осаждения углерода на поверхность пришла доценту кафедры «Физика твёрдого тела и неравновесных систем» Самарского университета Виктору Чепурнову. Он занимался карбидом кремния, который применяется в производстве солнечных панелей. Изюминка заключалась в использовании определённых изотопов. Обычно мы имеем дело со стабильными атомами и молекулами, но существуют и их более тяжёлые аналоги. Например, обычный углерод, который есть везде, «весит» 12 атомных единиц массы и является устойчивым веществом. А изотоп углерода с массой 14 а.е.м., постоянно образующийся в атмосфере Земли, склонен к радиоактивному распаду. При этом вылетает бета-частица (электрон), которая становится источником дополнительной энергии внутри структуры карбида кремния.

Очевидно, что вылетающие электроны сами по себе ещё не создают электрический ток, поскольку беспорядочно движутся в разные стороны. Однако движение электронов можно упорядочить в источнике питания оригинальной конструкции. На реализацию этой идеи учёные получили грант Фонда содействия инновациям, и такой источник был создан.

– Она есть, она работает, но проблема в том, что у неё низкий вольтаж, то есть она не может заменить собой другие батарейки, – говорит Альбина Гурская. –
Когда мы проводили измерения, получали неизменную нестабильность в результатах. Гурская предположила, что это происходит из-за особенностей структуры плёночного карбида кремния, в котором, вероятно, есть нечто такое, что не даёт получить стабильные свойства. Она решила как-то «просветить» этот источник питания, посмотреть, как в ней расположены атомы. Это очень сложная научная задача. Чтобы получить релевантную картинку, можно просветить рентгеном стабильные изотопы. Но как быть с теми, которые легко распадаются при дополнительной, рентгеновской стимуляции? Очевидно, в этом случае будет визуализирована не структура материала, а её изменения.

– Незавершённость этой задачи не давала мне покоя, я понимала, что смазывают картину изотопы, – объясняет Гурская. – У нас нет теории так называемого изотопического материаловедения, а она нужна, потому что работа с нестабильными изотопами порой важнее, чем со стабильными. Например, углекислый газ вокруг нас содержит углерод-14, какая-то часть молекул вокруг облучена, и постоянно что-то распадается. Если прийти в физическую лабораторию и просто включить счётчик Гейгера, он сразу начнёт щёлкать. В реальности «чистых» материалов не бывает, всё содержит какие-то дефекты, происходящие от того, в частности, что распадаются тяжёлые изотопы.

Последние полтора года Альбина Гурская занимается разработкой приложения к кремниевому источнику электропитания. Цель – создать несколько серий кристаллов с разными дефектами, чтобы повысить эффективность этого источника электропитания. Практическая ценность такой работы заключается в создании бета-преобразователя на углероде-14. Теоретическая часть включает исследование структурной эволюции материалов, описание дефектообразования в ряде полупроводников, облучённых продуктами распада радиоизотопов. Новые подходы к описанию этого процесса, которые предлагаются в рамках проекта, наверняка станут вкладом в развитие изотопического материаловедения и методов компьютерного моделирования разупорядоченных структур.