Университетские физики помнят нобелевского лауреата Алексея Екимова еще студентом

Ленинградец Алексей Екимов блестяще окончил среднюю школу и легко поступил на физический факультет ЛГУ в 1962 году. Он выбрал кафедру молекулярной физики (в 1987 году ее переименовали в кафедру физики твердого тела). Кафедру тогда возглавлял известный ученый, член‑корреспондент АН СССР Евгений Федорович Гросс, в начале 1950‑х экспериментально открывший существование экситонов в полупроводниках. Почетный профессор СПбГУ, профессор кафедры физики твердого тела Борис Владимирович Новиков рассказал, что Гросс создал в Ленинградском физико‑техническом институте имени А. Ф. Иоффе оптическую лабораторию, активно сотрудничающую с ЛГУ и ставшую базой для практических занятий студентов и аспирантов на высококлассном оборудовании. Каждый год туда отбирали лучших студентов. И в 1965 году в эту лабораторию пригласили Алексея Екимова и Игоря Уральцева (они тогда учились на третьем курсе). Оба подготовили там свои дипломные работы, а позже защитили диссертации.

В Университете очень успешно работает коллектив лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, созданной в 2011 году в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации. Проводимые здесь исследования продолжают и развивают научные идеи Алексея Екимова и Игоря Уральцева. Руководит лабораторией профессор СПбГУ Алексей Кавокин, один из самых известных в мире ученых в данной области.

Однокурсники отмечают характерные черты Алексея Екимова — целеустремленность и собранность. Его одногруппник Андрей Абрамович рассказал, что Алексей с самого начала, как только выбрал кафедру молекулярной физики, мечтал писать дипломную работу в Физтехе. И ему это удалось. Другая цель — освоение английского языка. На первых курсах Алексей чувствовал себя неуверенно в этом вопросе, но поставил цель и сдружился с теми однокурсниками, которые были выпускниками английских спецшкол, и постоянно тренировал с ними навыки разговора по‑английски. Впоследствии он с успехом читал лекции в зарубежных вузах.

Андрей Андреевич Абрамович, специалист ресурсного центра диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники Научного парка СПбГУ, вспомнил, что Алексей Екимов очень любил кататься на беговых коньках в ЦПКиО: «Даже компанию студентов мог покинуть, чтобы ехать на каток. И как‑то я видел, с каким удовольствием Алексей нарезал круги на Масляном лугу — в отглаженных брюках, стильной курточке». Летом студенты‑физики ездили отдыхать в Крым, с палатками, а после зимней сессии — на университетскую базу отдыха, где Алексей Екимов упорно осваивал игру на гитаре...

После окончания Университета Алексей Екимов поступил в аспирантуру физфака ЛГУ. Его однокурсник Михаил Пимоненко вспомнил, что они вместе сдавали экзамен по специальности. Они оба были в научной группе Евгения Федоровича Гросса, оба изучали оптические свойства твердых тел, но Екимов работал в Физтехе и там же в 1974 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико‑математических наук по теме «Оптическая ориентация спинов носителей в полупроводниках» (научным руководителем был профессор Борис Сильвестрович Разбирин, один из плеяды выдающихся ученых — учеников и коллег Гросса), а Пимоненко защитил диссертацию на год раньше в диссовете при ЛГУ.

В 1976 году в возрасте 31 года — вместе с выпускниками кафедры молекулярной физики ЛГУ Вячеславом Сафаровым и Борисом Захарченей — Алексей Екимов стал лауреатом Государственной премии СССР за цикл работ «Обнаружение и исследование новых явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках».

Михаил Михайлович Пимоненко отметил собранность и вдумчивый подход к исследованиям Алексея Екимова: «Он был спокойный, основательный, не дерганный... Помню, что он не любил отдых на южных курортах, ему ближе была природа русского Севера. В студенческие и аспирантские годы Алексей увлекался охотой, а охотничьи трофеи (например, рога оленей) дарил своим друзьям». Кто‑то из них теперь может хвастаться, демонстрируя рога, добытые нобелевским лауреатом полвека назад (Михаил Пимоненко работал во ВНИИ «Электронстандарт», откуда уволился в 1999 году с должности заместителя директора по научной работе, до недавнего времени преподавал математические основы логистики в Университете путей сообщения и в ВШЭ).

В 1977 году Алексей Екимов перешел в Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова, в лабораторию Михаила Никитича Толстого. Как рассказал профессор Борис Владимирович Новиков, свое открытие Екимов сделал случайно и в то же время закономерно (благодаря университетскому физическому образованию). В ГОИ интенсивно велась разработка стекол с полупроводниковыми наполнителями, предназначенных для защиты зрения от мощных вспышек света за счет мгновенного потемнения и способных восстанавливать свою прозрачность после окончания вспышки. Низкотемпературные (при температуре жидкого гелия минус 273 °C) измерения спектров пропускания образцов стекол в ультрафиолетовой области спектра, проведенные в группе Алексея Екимова, позволили установить: изменение условий (температуры и времени) термообработки образцов приводило к изменению размера выделяемых частиц в диапазоне от 2 до 30 нанометров. При этом наблюдался необычный эффект: чем меньше были выращенные кристаллики (наночастицы хлорида меди), тем дальше в ультрафиолетовую область спектра сдвигался поглощаемый ими свет. Специальное образование, полученное в ЛГУ, позволило молодому ученому и его коллегам понять природу этого явления.

Нобелевский комитет признал приоритет советского ученого. В пресс‑релизе сказано: «В начале 1980‑х Алексею Екимову удалось создать квантовые эффекты, зависящие от размера, в цветном стекле... Екимов показал, что размер частиц влияет на цвет стекла посредством квантовых эффектов». Он открыл, а затем и синтезировал нанометровые полупроводниковые кристаллы, известные как квантовые точки. Ученый стал автором метода получения таких кристаллов в стеклообразных матрицах, и это были первые квантовые объекты, полученные искусственным путем. Работы, выполненные советским ученым Алексеем Екимовым, положили начало исследованию квантовых точек во всем мире.

Алексей Аркадьевич Онущенко, выпускник кафедры молекулярной физики 1975 года, ведущий научный сотрудник научного отделения ГОИ «Стекло», вспомнил, что Алексей Екимов, когда работал в ГОИ, был очень активным: «Он очень рьяно взялся за совершенствование экспериментальной базы, хорошо понимая, какое оборудование необходимо для того, чтобы выполнить работу на высоком, качественном уровне. Он умел убедить людей, принимающих решение, что нужно приобрести именно это оборудование... Но успех зависел от работы большого коллектива, экспериментаторов, теоретиков и технологов».

Первая статья по полупроводниковым нанокристаллам Алексея Екимова и Алексея Онущенко «Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников» была опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ» (Журнал экспериментальной и теоретической физики) в 1981 году. Было впервые показано, что спектральные свойства кристаллической частицы нанометрового размера (например, длина волны или цвет ее излучения) зависят от размера наночастицы и могут контролируемым образом меняться путем изменения этого размера. Но в этой статье были изучены только стекла с нанокристаллами хлорида меди. Было около десятка статей в начале 1980‑х (в журнале «Физика и химия стекла» и других), где были исследованы разные стекла, но все они были опубликованы на русском языке. Больше известна публикация 1985 года тех же авторов Quantum size effect in semiconductor microcrystals в журнале Solid State Communications, в которой рассмотрен более широкий набор полупроводниковых нанокристаллов. На них до сих пор ссылаются ученые всего мира, поскольку эти работы стимулировали широкомасштабные исследования во многих научно‑исследовательских лабораториях и центрах.

Профессор Борис Владимирович Новиков рассказал, что в 1980‑е годы Алексей Екимов не прерывал связи с Университетом и после своего открытия выступал с докладами на семинаре кафедры молекулярной физики ЛГУ. В 1982 году Алексей Екимов и коллеги из ЛГУ и Физтеха принимали участие в международной конференции «Физика полупроводников» в Баку, где Екимов выступал с большим докладом о полупроводниковых нанокристаллах. Благодаря открытию квантовых точек ленинградский ученый получил мировую известность. Алексей Иванович Екимов был приглашенным профессором в Политехнической школе в Париже и Университете Клода Бернара в Лионе (Франция), в Институте Макса Планка в Мюнхене (Германия) и Осакском университете (Япония). С 1999 года он работает в США главным научным сотрудником компании Nanocrystals Technology Inc. в Нью‑Йорке.

Студенты Университета, живущие в общежитиях «на Кораблях», могут гордиться. Недалеко оттуда в 1960‑1990‑е годы — на ул. Кораблестроителей, около трамвайного кольца — жил студент ЛГУ Алексей Екимов.

Сейчас нобелевский лауреат Алексей Екимов живет в городе Уайт‑Плейнсе, в шести километрах к северу от Нью‑Йорка.

В 2006 году Оптическое общество США присудило Алексею Екимову (совместно с российским физиком Александром Эфросом и американским физиком Луисом Брюсом) премию Роберта Вуда за «открытие нанокристаллических квантовых точек и пионерские исследования их электронных и оптических свойств». Александр Львович Эфрос, работавший в Физтехе, вместе с братом Алексеем помогли коллеге А. Екимову и первыми в мире создали теорию излучения и квантовых эффектов в полупроводниковых квантовых точках в стекле. Луис Брюс не знал об успехе Екимова, он самостоятельно доказал квантовые эффекты, зависящие от размера частиц, свободно плавающих в коллоидном растворе. Теоретическую работу по близкой тематике он опубликовал только в 1983 году, через несколько лет после открытия Екимова. В 1993 году Мунги Бавенди, ученик Брюса, изобрел технологию получения практически идеальных нанокристаллов.

В 2013 году петербургским физикам Алексею Екимову, Александру Эфросу и Алексею Онущенко была вручена медаль Е. Ф. Гросса Оптического общества имени Д. С. Рождественского. Так была отмечена в России работа по исследованию размерных эффектов в полупроводниковых нанокристаллах, а Екимов стал уже вторым (после Алферова) нобелевским лауреатом из обладателей медали Гросса.

Потенциал применения квантовых точек в электронике огромен: сегодня их можно встретить в мониторах технологии QLED, светодиодах и лазерах. Биологи помечают квантовыми точками вещества в живой клетке. Медики считают, что нанокристаллы могут стать средством маркировки опухолей, а химики видят в них перспективные катализаторы.

Почетный профессор СПбГУ, профессор кафедры физики твердого тела Вадим Фадеевич Агекян считает, что работы лауреатов Нобелевской премии Жореса Ивановича Алферова и Алексея Ивановича Екимова, а также работы Игоря Николаевича Уральцева лежат в одной области исследования различных структур в полупроводниках. А. И. Екимов получил принципиально новый результат — и эта тематика исследований быстро развивается и за рубежом, и в России, в СПбГУ.

Заведующий кафедрой физики твердого тела профессор Сергей Юрьевич Вербин отметил, что квантовые точки и квантовые технологии выросли в огромную отрасль реального сектора и большое научное направление, у истоков которого стоял Алексей Екимов. Это направление активно развивается в Университете и сегодня. Проводимые в лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ исследования спиновых явлений в наноструктурах, в частности в квантовых точках, развивают научные направления, связанные с именами однокурсников Алексея Екимова и Игоря Уральцева.

Одно из недавних достижений: в 2021 году выпускник кафедры молекулярной физики 1964 года, ведущий научный сотрудник исследовательской лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ Валерий Сергеевич Запасский (совместно с академиком РАН Евгением Борисовичем Александровым) стал лауреатом Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий за создание и развитие нового научного направления — спектроскопии спиновых шумов (Ученый СПбГУ Валерий Запасский стал лауреатом Государственной премии Российской Федерации).

По традиции вручение нобелевской премии пройдет 10 декабря в Стокгольме. Три лауреата разделят 11 млн шведских крон (чуть меньше 1 млн долларов).

Другой успех: в 2020 году руководитель лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ профессор Алексей Кавокин стал первым за всю историю российским ученым, удостоенным премии Quantum Devices Award. Эту награду вручают за новаторский вклад в области сложных полупроводниковых приборов и устройств с квантовыми наноструктурами. Премию Алексею Кавокину присудили за предсказание бозе‑эйнштейновской конденсации экситонов и экситонных поляритонов при комнатной температуре, что позволило создать поляритонные лазеры. Они потребляют в несколько раз меньше энергии, чем традиционные полупроводниковые лазеры, и главное, на основе поляритонных лазеров можно создавать кубиты — базовые элементы квантовых компьютеров будущего. Эти технологии вносят существенный вклад в развитие квантовых вычислительных систем (Физик СПбГУ Алексей Кавокин стал первым российским ученым — лауреатом премии ISCS 2020 Quantum Devices).

А в Санкт‑Петербургском университете продолжаются научные исследования мирового уровня.