Нобелевская премия по физике в 2014 году была дана за изобретение синих светодиодов. А что это такое и почему действительно это большое достижение, рассказывает старший преподаватель в Сколтехе, почетный Американского Физического Общества (APS Fellow) Василий Перебейнос.
Н. Асадова― Добрый день. У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Привет.
Е. Быковский― Привет, Наргиз.
Н. Асадова― И мы наконец-то решили поговорить о том, за что давали нобелевские премии. Не прошло и трёх недель. Но зато у нас такой замечательный гость, которого стоило подождать и 3, и 4 недели. Это Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества. Здравствуйте, Василий.
В. Перебейнос― Здравствуйте ещё раз. Спасибо, что ещё раз встретились.
Н. Асадова― Тема звучит так: «Эволюция света, или как получить Нобелевскую премию по физике?». Мы, наверное, в двух словах скажем, что Нобелевская премия была дана за изобретение синих светодиодов. А что это такое и почему действительно это такое достижение, мы поговорим в течение нашей передачи.
Сейчас мы послушаем новости науки с Алексеем Соломиным.
«НОВОСТИ НАУКИ».
А. Соломин― Международная группа исследователей разработала семейство материалов на основе иодида меди, применение которых в светодиодных устройствах даёт свет тёплого белого оттенка. Учёные предлагают использовать в бытовых светодиодных лампочках иодид меди вместо дорогих редкоземельных материалов, - говорится в статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society. Светодиод, или светоизлучающий диод – полупроводниковый прибор с ионно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.
Международная группа исследователей разработала семейство материалов на основе иодида меди, применение которых в светодиодных устройствах даёт свет тёплого белого оттенка. Как сообщалось ранее, лауреатами Нобелевской премии по физике 2014 года стали изобретатели светодиодов, с помощью которых стало возможно создавать новые яркие, энергоэффективные и долговечные источники белого света.
Н. Асадова― Это были новости науки с Алексеем Соломиным. Сейчас прервёмся на рекламу, а затем вернёмся. Никуда не уходите.
РЕКЛАМА
Н. Асадова― В эфире передача «Наука в фокусе». Говорим сегодня на тему «Эволюция света: как получить Нобелевскую премию по физике?». В студии по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе», и Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества. Давайте же сразу к теме перейдём. За что же дали Нобелевку? Что это за синие светодиоды? Почему это такой прорыв?
В. Перебейнос― На самом деле светодиоды люди знали уже с 1950-х годов. И был и жёлтый, и зелёный свет. А что сделали в 1990-х годах, то научились делать свет синим. И были просто технические проблемы.
Е. Быковский― Простите, пару копеечек вставлю. Всё-таки пораньше, ещё с работ Лосева всё началось в 1920-х годах.
В. Перебейнос― На самом деле была большая статья Николая Жёлудева в Nature где-то в 2007 году, где он говорил, что все светодиоды на самом деле наблюдал Олег Владимирович Лосев, который не имел образования, потому что он был сыном офицера царской армии, но был как и лаборантом. И он наблюдал свечение ещё в 1924 году и изучал его. То есть он опубликовал 16 статей на эту тему.
Е. Быковский― И потом ещё многие десятилетия это называлось эффектом Лосева во многих местах.
В. Перебейнос― К сожалению, он не оставил учеников. Поэтому после войны его имя было немножко забыто. Исследования пошли буквально с самого начала. Он умер от голода. И говорят, что вроде как он даже наблюдал транзистор. То есть за то, что было изобретено в Америке в конце 1940-х годов в Bell Labs. То он этот эффект наблюдал ещё в блокадном Ленинграде.
Н. Асадова― Сейчас мы восстановили справедливость, и наши слушатели узнали это имя нашего выдающегося учёного Лосева. Объясните мне по поводу вот этих всех разноцветных светодиодов. Почему, например, красный, зелёный удалось раньше изобрести, а вот этот синий, за который дали Нобелевскую премию, с ним были такие технические проблемы? В чём затык?
В. Перебейнос― Затык – вырастить кристалл хорошего качества, подобрать параметры роста, чтобы он был хорошего качества, и сделать имплантацию. То есть заменить один из атомов на другой, чтобы было больше дырок в одной части полупроводника, а в другой части больше электронов, которые бы рекомбинировали и давали свет.
И вот в этом была проблема. Когда мы заменяем один атом на другой, мы портим электрические свойства материала, и он не работал. Многие компании пробовали, многие люди пробовали, и у них не получалось. Они забросили. А вот эти три человека, которые получили Нобелевскую премию, учёные из Японии, они добились того, что у них это получилось.
Е. Быковский― Добились эффективных светодиодов, потому что всё-таки, я ещё раз на секундочку отступлю, первым синий светодиод построил Яков Исаевич Панчечников в начале 1970-х годов. Правда, несмотря на русскую фамилию, имя и отчество, работал в то время на IBM или RCA, дело происходило в Америке. Но он был неэффективным, потому что дорогой…
Н. Асадова― И я так понимаю, что достаточно тусклый. То есть там не было необходимого яркого свечения.
Е. Быковский― Да, там было множество проблем. Всё-таки первый синий электродиод работающий связан с именем Панчечникова.
Н. Асадова― Я бы хотела ещё больше вглубь копнуть и спросить вообще о природе света. Что такое свет, и почему есть красное излучение, есть зелёное? Почему это всё происходит?
Е. Быковский― Фотоны разной энергии.
Н. Асадова― А вы можете, как в школе объяснить?
В. Перебейнос― Это ещё со времён Ньютона было известно, что оттенки света зависят от длины волны или от энергии фотона, который излучается телом. И чем больше энергия, тем больше он голубой. Чем меньше энергия, тем больше он красный.
Н. Асадова― Для того чтобы белый свет, к которому мы привыкли…
Е. Быковский― А белого света не бывает.
В. Перебейнос― Если смешать три цвета…
Е. Быковский― Если смешать – да. В чистом виде его не существует.
Н. Асадова― Соответственно, какое первое излучение было открыто. Инфракрасное, да?
В. Перебейнос― Да. Они сделали такую таблицу – эффективность от времени. И вначале это был красный, потом зелёный и…
Н. Асадова― Инфракрасное излучение – это мы все примерно понимаем, где используется. А зелёное излучение где используется, и что это такое?
В. Перебейнос― Зелёные светодиоды. Берём батарейку, прикладываем поле и видим, что светится. Это может светиться и кнопочка где-то, может светиться лампочка цветная, используется в полупроводниковых материалах. То есть сейчас когда появился белый свет, мы это видим везде. То есть за что дали Нобелевскую премию? Экономический эффект от этого изобретения очень большой. Его даже сложно переоценить.
Н. Асадова― Как оценить этот экономический эффект? Я смотрела какие-то цифры, что в 20 раз меньше электроэнергии требуется, для того чтобы освещать помещение, допустим, и продолжительность работы такого светодиода в 100 000 раз больше.
Е. Быковский: 20― это такие чисто теоретические цифры. Я думаю, что взялись из того, что есть теоретические цифры максимального количества люмен на ватт, которая даёт лампа накаливания. Там 15 или 16, не помню. А у светодиода около 300. На самом деле промышленно таких ещё не делают. Там экономия получается раз в 6-7, но не в 20 пока. Но в 20 – это, наверное, достижимо.
Н. Асадова― А стоимость его во сколько раз больше, чем стоимость лампочки?
Е. Быковский― Как в любой новой технологии, конечно же, быстро падает. Любая новая вещь сначала очень дорогая, а потом делается не очень дорогая.
Н. Асадова― На данном этапе она очень дорогая? То есть для хозяйства…
Е. Быковский― А ты не покупала для хозяйства ни одной светодиодной лампочки до сих пор?
Н. Асадова― Нет.
Е. Быковский― Ты отстала от жизни.
Н. Асадова― Отстала, да.
Е. Быковский― Василий, вы покупаете домой светодиодные лампочки?
В. Перебейнос― У меня дома стоят какие-то лампочки, по-моему, они флуоресцентные, и они очень долго накаливаются. То есть мне приходится ждать минуту, пока она наконец загорит. А вот в чём преимущество светодиодных – что они загораются сразу буквально. У неё отклик очень быстрый, и они не содержат ртути. Это один из аргументов.
Е. Быковский― Да, они безопасные и быстро стартуют. Вообще мы с вами проскочили мимо темы, почему нам нужен был именно синий светодиод. Белый свет смешивается из нескольких разных цветов. И его нельзя было смешать из тех светодиодов, которые имелись. Красный, жёлтый и зелёный не дают белого цвета в смеси. Нужен был синий в смеси с красным и зелёным.
А зачем нужен был белый цвет? Потому что надо было заменить устаревшие лампы накаливания и флуоресцентные, мимо которых мы прямо должны проскакать как можно быстрее, потому что это не очень хорошая технология, на мой взгляд.
Н. Асадова― А почему она не очень хорошая?
Е. Быковский― Она не очень удачна в производстве. Да и, потом, как их утилизировать, не очень понятно, эти лампы, потому что внутри содержатся вредные вещества. Но мы об этом только что поговорили.
Синие светодиоды были важны только тем, что позволили нам получить белый свет.
Н. Асадова― Я так понимаю, что их открыли какое-то время назад, и уже на основе синих светодиодов произведено масса каких-то электроприборов, которые мы пользуемся в быту. Например, для меня было открытием, что вот эти диски Blue Ray как раз с помощью этого синего светодиода работают. Так пишут в прессе, я хочу сказать. Если это не так, то опровергните немедленно.
Е. Быковский― Давай не будем сейчас говорить о технологии Blue Ray. Я как-то к этому не готовился.
В. Перебейнос― Я знаю, что их используют в дисках, когда сканируют, считывают информацию, но не более того. Их много где используют.
Мы затронули тему эффективности. Я так понимаю, что эти светодиоды позволяют сейчас делать 20% эффективности. То есть на каждый заряд, который протекает через p-n- переход, выходит 20% света. Это как бы довольно-таки большая эффективность.
Н. Асадова― А сколько у обычной лампочки эффективность? Чтобы сравнить. То есть на порядок меньше?
В. Перебейнос― То, что озвучивались в люменах на ватт, то есть ватт – это то, что потери в джоулях, а люмен – это сколько из этого выходит света. И обычная лампа накаливания – 16 люмен на ватт, флуоресценция – 70 люмен на ватт, а светодиод – 300 люмен на ватт.
Н. Асадова― Да, действительно, намного больше.
Е. Быковский― У лампы накаливания КПД в районе процента или меньше. Точно не помню. Остальное всё в теплоту уходит. Греем атмосферу зачем-то.
Н. Асадова― А здесь как будет?
Е. Быковский― Ну это не греется же.
Н. Асадова― То есть вообще никакого нагревания не будет происходить?
Е. Быковский― Практически нет. То есть там были какие-то проблемы во время исследований с тем, что какие-то образцы перегреваются, перегорают, но обычный светодиод фактически не нагревается, вся энергия уходит в свет в видимое излучение, не в инфракрасное.
Н. Асадова― Мы тут говорили и упоминали несколько раз, что с изобретением, использованием, внедрением синих светодиодов в нашу жизнь мы ожидаем, что будет такая серьёзная экономия электроэнергии. Сейчас прозвучит «Статья по теме» в исполнении Льва Гулько. Там немножко другое мнение. Давайте послушаем.
«СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ».
Л. Гулько― Рассматривая историю вопроса, Джефф Цао, исследователь из Национальной лаборатории Сандия (США) и его коллеги отмечают, что повышение энергоэффективности методов освещения всегда, будь то свечи, газовые лампы или лампы накаливания сопровождаются не снижением потребления электроэнергии, а ростом освещённости домов и улиц. Поэтому внедрение светодиодов может привести к сходному эффекту. Дело в том, что до сих пор освещённость в отсутствие дневного света среднего рабочего места или жилой комнаты не превышает 50 люксов. А самый пасмурный день на Земле даёт на открытой местности 100 люксов. Нормальный пасмурный день – это 1000 люксов. А в ясный день в тени показатель доходит до 10-25 тысяч люксов. Естественно, человек – не ночное животное. Потому слабо приспособлен к 50 люксам, равно как к 300 и 400, характерным для рабочего места днём, если в помещении есть окна.
Отсюда промежуточный вывод №1: несмотря на то что КПД светодиодов сейчас на порядок выше эффективности массовых ламп накаливания, при их повсеместном внедрении не энергопотребление сократится десятикратно, а, напротив, искусственное освещение на порядок увеличит свою интенсивность.
Другим важным моментом является то, что интенсивное использование новых источников света способно серьёзно поправить дело со здоровьем человека. Как отмечают исследователи, до обретения тех же ламп накаливания мы спали довольно долго, особенно в зимнее время в умеренных широтах. Между тем организм человека в целом так и остался организмом примата, возникшего весьма близко к экватору: длительный сон плохо отражается на гормональном фоне, означая слишком большую выработку мелатонина, сниженное половое влечение и работоспособность. Лампы накаливания несколько повысили последнюю; на фабриках двухсотлетней давности представить ночные смены если и хочется, то не можется — по чисто техническим причинам. И всё же светодиоды могут обеспечить поворот ещё более значительного масштаба.
Как отмечают авторы, даже источник освещения всего в 2 500 лк (4–5 средних светодиодов, находящихся в открытой продаже) способен при систематическом использовании ликвидировать эффект «зимней депрессии» у человека, живущего в умеренных широтах. А более интенсивное освещение улиц и домов уже в ближайшем будущем может перевести этот феномен в разряд исторических.
Правда, отмечают учёные, у процесса есть и обратная сторона. Поддержание ненормально высокой активности «человека под лампой» посредством наращивания освещённости, предельно близкой по интенсивности к нормальному дневному свету, может привести к росту нагрузки на нервную систему, что вызовет к жизни необходимость избегать «передозировки» диодного света. В противном случае возможны нарушения сна и сопутствующее им повышение раздражительности, а также иные проявления того, что авторы называют «световым загрязнением».
Н. Асадова― Это была «Статья по теме» с Львом Гулько. Ну и мы тоже спросили наших слушателей и читателей нашего блога на сайте «Эхо Москвы», приведёт ли массовое распространение синих светодиодов к сокращению потребления электроэнергии на Земле? Около 400 человек проголосовали. «Да» сказали 50%, «нет» - 34, и затруднились с ответом 16%. Оптимисты у нас преобладают.
Е. Быковский― Я что-то себе представил доктора будущего, который говорит «Да у вас, голубчик, передоз светодиодного света».
Н. Асадова― Скажите, Василий, а вы как думаете? Как вы бы ответили на этот вопрос – приведёт ли к сокращению потребления электроэнергии, или мы просто будем больше освещать, пользуясь случаем и возможностью как можно больше света в нашу жизнь привнести.
В. Перебейнос― Я думаю, приведёт к уменьшению.
Н. Асадова― Всё равно приведёт?
В. Перебейнос― Уже привело. Уже называют цифры 20-30%, говоря об экономическом эффекте, что мы меньше тратим энергии и затрат на освещение. То есть вряд ли кому-то захочется иметь дневной свет каждый вечер.
Е. Быковский― И получить передоз в итоге. А с другой стороны меня оень порадовало предсказание насчёт того, что мы сможем избавиться от зимней депрессии. Потому что я последние дни как-то…
Н. Асадова― Ещё зима не началась, а депрессия уже началась.
Е. Быковский― Да. Я думаю – может, купить побольше светодиодных лампочек.
Н. Асадова― Кстати, да. Не видела ни одного человека, у которого есть светодиодные лампочки в хозяйствах, чтобы как-то вообще это влияло на его психологическое и физическое состояние.
Ещё такая закономерность, что именно японские учёные открыли светодиод. Я читала историю про то, как это произошло. И, конечно, упорство этих людей поражает. Понятное дело, что Япония – это такая страна, где очень большое внимание уделяется созданию этих электроэффективных энергосберегающих технологий. Не знаю ни одной другой страны, где бы столько же времени и сил тратилось на эти технологии. Вы этих учёных вообще знаете, или вы услышали о них впервые, когда прозвучал вердикт Нобелевского комитета?
В. Перебейнос― Я лично их не знал. Дело в том, что действительно в Японии есть такой момент, что у них качество материалов, которые они растят, лучше. Но, как мы раньше обсуждали, всё-таки изобретение пришло не из Японии само. То есть вектор направлен был из Америки, в России были работы. Но они действительно не только в этих областях. Физика, наука о материалах у них очень сильно развита.
Н. Асадова― Почему такая особенность? Они более аккуратные, более дотошные, более упорные?
Е. Быковский― На самом деле я бы сказал, что самые интересные учёные всё-таки не в Японии, но там очень хорошие инженеры. Неслучайно это изобретение подхватил инженер от американского к тому времени учёного (хотя и японского происхождения). Он скорее был инженером. И претворил это в жизнь. С японскими инженерами мало кто сравнится. А вот с японскими учёными много кто.
Н. Асадова― Понятно. Ещё я слышала мнение о том, что научное сообщество с недоумением отнеслось к выбору Нобелевского комитета в этом году. И критиковали именно за то, что привыкли, что Нобелевскую премию дают за фундаментальные какие-то исследования, например, за открытие бозона Хиггса, за графен, про который мы совсем как раз разговаривали не раз. А это чисто практическое. Ты сам сказал, что это инженерная работа.
Е. Быковский― Действительно, не было в никаких шорт-листах, если не ошибаюсь, никто их не ожидал. Там говорили много о всяких других претендентах, в том числе и российские, мы сейчас не будем про них говорить.
Но вообще Нобель сам говорил, что надо давать и за фундаментальные вещи, и за технологии. А с физикой, по-моему, в последнее время как-то перестарались с фундаменталкой. Последние годы, сколько я помню, всё были такие вещи очень серьёзные. Никаких технологий за последние 10 лет я даже и не припомню, таких, практических.
В. Перебейнос― Ну как же? Алфёров – там же за технологию как бы дали. Я имею в виду за открытие, которое привело к технологиям. Я согласен абсолютно с аргументами, что за последнее время само человечество изменилось, общество потребления – оно провоцирует учёных думать о том, не какую красивую науку они сделали, а насколько это будет полезно человечеству,которое платит деньги учёным в виде налогов. И вектор действительно изменился. Я почувствовал за последние лет 15, особенно это чувствовалось в IBM, где я работал, что вектор смещался в сторону «а зачем это нужно?», а «где это применится?».
И это дух времени, у меня такое чувство, что это с этим связано.
Н. Асадова― С другой стороны, мы много раз уже говорили в нашей передаче, что такое количество фундаментальных открытий было произведено в последнее время, что непонятно вообще, как их применять иногда в жизни. И для тех людей, которые будь то инженеры, которые придумывают это, то это тоже выдающиеся достижения.
В. Перебейнос― Так тоже можно сказать, я согласен, что одно дело – изобрести, а другое дело – воплотить в жизнь.
Е. Быковский― Я как раз был очень рад этой Нобелевской премии, потому что, конечно, бозон Хиггса, чёрная материя, чёрные дыры – это всё прекрасно, я сам это очень люблю, но надо как-то было это перемежать всякими совсем практическими вещами. Мне кажется, что это одно из самых важных изобретений за последние лет 20-30. Ничего более важнее не могу придумать.
В. Перебейнос― Я как раз сейчас думаю. Может быть, где-то другие полезные вещи, может, термоэлектрики придумали тоже что-то где-то.
Н. Асадова― В IBM занимаются такого рода технологиями? Со светодиодами работали, нет7
В. Перебейнос― Работали. Мы упоминали IBM в этом контексте. Они ушли от этого. То есть они продали эти департаменты и лаборатории, которые занимались этими делами. То есть… лазеры – это сотрудники из IBM ушли, потому что IBM это не нужно было, организовали свою компанию и очень разубедили.
То есть IBM позиционирует себя больше как компьютерная. Если на кремнии фотоника, вот этим они занимаются, сынтегрировать технологии передачи информации с помощью оптики. Вот этим они занимаются. Там не видимый диапазон, там на других волнах.
Н. Асадова― Но японские учёные действительно добились результата в той области, из которой уже многие ушли. А они так упорно сидели и делали опыты, пока не придумали этот светодиод.
Е. Быковский― Они делали прогнозы, что вообще ничего в ближайшие 10 лет не получится.
Н. Асадова― Да, этот материал просто считался неперспективным. Сейчас у нас новости и реклама, затем вернёмся в эту студию, никуда не уходите.
НОВОСТИ
Н. Асадова: 17―35 в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». У нас сегодня очень интересная тема: «Эволюция света: как получить Нобелевскую премию по физике?». И наш гость – Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества, помогает нам разобраться в этой теме.
Мы уже обсудили, за что дали Нобелевскую премию.
Е. Быковский― И что хорошо, что её дали именно за это.
Н. Асадова― Да, ты настаивал, что это хорошо и правильно. Я бы хотела поговорить про другие материалы, на которых возможно создавать светодиоды. Какие ещё есть?
В. Перебейнос― Это очень интересная тема на самом деле, потому что те светодиоды, за которые получили Нобелевскую премию – они состоят из двумерных материалов, то есть растят слой за слоем один материал, потом другой материал, и прикладывается электрическое поле через этот слой, и возникают электронно-дырочные пары, которые рекомбинируют – получаем свет.
Вот вопрос: а насколько маленьким можно сделать фонарик? То есть насколько маленьким можно сделать лампочку? И оказывается, что можно взять молекулу, запустить через неё электрон и дырку, они там тоже рекомбинируют и дают свет. И единственная проблема в том, что…
Е. Быковский― Но она одномоментно будет излучать один фотон, там же не поток.
В. Перебейнос― Один фотон – это очень здорово, если она будет излучать. Потому что это очень нужно для криптографии, например, единичный фотонный свет. Но пока они излучают, там просто ток течёт, точно так же, как в обычных светодиодах. Только единственная проблема в том, что мы не можем этот материал, молекулу, скажем, нанотрубку, например, сделать p-n-переход в классическом виде, то есть там меняется количество электронов и дырок с помощью затвора. Делается два затвора: один плюс, другой минус, получаются электроны и дырки, они там как-то рекомбинируют.
Там проблема пока в том, что слишком маленькая интенсивность света. То есть по коэффициенту полезного действия мы намного далеко отстаём в этих исследованиях от тех светодиодов, которые мы сейчас используем для освещения.
Е. Быковский― А почему КПД так критично падает с уменьшением размера?
В. Перебейнос― Потерь очень много. Там же любая какая-то грязь появилась, один атом добавился – и он уже является центром рассеяния. То есть почему Нобелевскую премию дали? Потому что они научились растить чистый, чтобы этого рассеяния было как можно меньше. А вот с этими нанотрубками или другими низкоразмерными системами ещё не научились. И люди в принципе об этом тоже думают.
Н. Асадова― А кто в основном занимается такого рода исследованиями?
В. Перебейнос― Разные группы.
Н. Асадова― То есть это в принципе такое направление вполне себе популярное, и многие над этим работают.
Е. Быковский― А там используются те же самые молекулы, что и в больших светодиодах – тот же арсенид галлия или что-то вроде него?
В. Перебейнос― Можно сделать на нанопроводах, но в нанопроводах всё-таки размеры десятки нанометров, а чтобы 1 нм – это уже углеродная нанотрубка. Сейчас ещё пытаются на двухмерных материалах. В 2010 году дали Нобелевскую премию Андрею Гейму и Константину Новосёлову за графен. Но помимо этого есть другие материалы, которые имеют разную работу выхода, и они тоже могут быть n-типа (больше электронов) или p-типа (больше дырок). И если их сложить друг с другом, то получается, что они тоже могут светить. Пока ещё над этим работают люди. Пока нет исследований.
Н. Асадова― Вообще, конечно, то, о чём рассказывает так бойко Василий – это сложно себе представить, поскольку это такие мелкие размеры, что не в каждый микроскоп увидишь.
Е. Быковский― Это ещё можно представить. Это всё-таки молекулы, атомы. Сложно представить себе планковские размеры. Но о них мы поговорим в какой-нибудь другой передаче.
Какое практическое применение будет у фонарика наноразмера? Что с ним можно сделать? Он будет чем?
В. Перебейнос― Например, есть такая идея. Если у нас есть две проволочки наноразмеров, одна засветилась и передала фотон другой проволочке, и с ней что-то произошло. Получается, что мы влияем одной проволочкой на другую.
Н. Асадова― То есть по сути получается передача информации.
В. Перебейнос― Передача информации, да.
Н. Асадова― И где это можно использовать? Я просто не очень понимаю. Ок, она передаёт свет, влияет на другую проволочку, и что? Моя фантазия на этом заканчивается.
В. Перебейнос― Собственно говоря, так работают компьютеры. Там же тоже мы делаем затвор, подаём напряжение, оно изменяет состояние другого транзистора.
Н. Асадова― Хорошо. А если оно будет так с помощью фотонов передаваться, что это нам даст, если говорить про компьютеры?
В. Перебейнос― Оно будет передаваться намного быстрее, чем сигналы по проводам. То есть там же скорость света намного больше, чем скорость электронов?
Е. Быковский― Потерь меньше.
В. Перебейнос― Там проблема пока вся в том, что потери там в основном нерадиационного характера. То есть электронно-парочные дыры рекомбинируют в тепло. Но если научиться…
Н. Асадова― То есть оно греется.
В. Перебейнос― Да.
Н. Асадова― Проблема, что компьютеры греются вечно. И здесь они будут греться.
Е. Быковский: Я―то думал, что с этим принципом p-n-перехода и извлечением из него энергии мы как раз упёрлись фактически в такой онтологический тупик. То есть 200 лет назад мы обогревались в общем тепловым излучением: факелы какие-нибудь, камины. Они нас грели, а заодно что-то освещали очень слабенько. Потом постепенно начали двигаться по этой дороге, получая осветительные приборы, в которых излучается всё меньше теплоты и всё больше излучается света.
И вот в светодиодах, мне казалось, что мы дошли почти до конца. Почти нет излучения теплового, осталось световое. И что, на этом остановимся? Всё? Дальше свет у нас не будет эволюционировать? Или есть ещё какие-нибудь идеи?
В. Перебейнос― Идея заключается в чём? Чтоб как можно больше тока пропускать и чтоб больше светило. То есть на единицу площади количество фотонов зависит от того тока, умноженного на КПД. КПД большое. Но когда мы начинаем увеличивать ток, КПД падает. То есть на единицу пропущенного электрона через p-n переход мы получаем меньше света.
Н. Асадова― То есть мы боремся за интенсивность света, чтобы условный фонарик светил всегда?
Е. Быковский― Мы почти победили лишнее, ненужное излучение теплоты, но мы не победили вот эту эффективность излучения? То есть хорошо бы получить какую-нибудь штуку, которая излучает миллион люмен на ватт, условно говоря.
Н. Асадова― А зачем? Я не понимаю, зачем.
Е. Быковский― Была бы большая экономия.
Н. Асадова― Зачем такой яркий свет?
В. Перебейнос― Мы сейчас все разговариваем про видимый диапазон. Но не надо забывать, что помимо видимого диапазона есть ещё ультракрасный и терагерцовый, а там как бы непаханое поле. А понимаете, если мы изобретём источники света мощные, которые в инфракрасном диапазоне, это же можно использовать и для тепловизоров.
Есть окна прозрачности атмосферы, 3-5 микрон, 8-12 микрон, когда можно светить, и он далеко проходит, мы его не видим. То есть на этом построена идея ночного видения.
А там с источниками не так всё оптимистично обстоит, как с видимым диапазоном. И в этом направлении всё то же самое, но в другом диапазоне. Там тоже есть много возможностей.
Н. Асадова― Скажите, а можно ли видеть через стены благодаря…
Е. Быковский― Да, для этого изобретён давно уже прекрасный прибор, называется «окно».
В. Перебейнос― Можно видеть, откуда тепло уходит из стен. Если у вас где-то дырка и замазано, а в тепловизор можно видеть – вот там течёт.
Н. Асадова― Какие проблемы с этим инфракрасным излучением, то, что вы говорите, там с чем сталкиваются учёные?
В. Перебейнос― Всё те же самые проблемы – увеличить КПД, увеличить интенсивность.
Н. Асадова― А материалы, на которых они работают, такие же, или это совершенно другого рода материалы?
В. Перебейнос― В принципе такие же. Используются такого же типа материалы – 3-5, просто разная композиция материалов. То, что сейчас учёные пытаются посмотреть, они взяли новые двухмерные материалы на их основе построить элементы фотоники, которая бы работала в инфракрасном диапазоне.
Н. Асадова― И как успехи?
В. Перебейнос― Стараемся.
Е. Быковский― То есть получается, что с таким светом, которым мы освещаем рабочее место или нерабочее, мы практически решили проблему на много лет вперёд.
Н. Асадова― По сути добились того, что мы можем дневной свет…
Е. Быковский― Наверное, мы могли бы что-нибудь ещё сделать в плане дальнейшей экономии энергии, но пока что никаких особенных прорывов, мы даже не знаем, куда прорываться и где прорвётся. Зато есть множество нерешённых проблем в других диапазонах и других специфических приложениях. То есть не в лампочках, а всяких таких штуках – нанофонариках, передаче информации, тепловизорах и ещё Бог знает в чём.
Давайте что-нибудь ещё вспомним, где у нас используется…
Н. Асадова― Например, технология LED используется в жидкокристаллических экранах телевизоров. Единственное, что я не очень понимаю, как это происходит.
Е. Быковский― Это и есть жидкокристаллический.
Н. Асадова― Да. Я просто не понимаю, причём здесь синие светодиоды, потому что это связывают, когда рассказывают про достижения этой троицы японской, говорят, что если бы не они, то не было бы жидкокристаллических экранов. Как связаны эти вещи, объясните нам, пожалуйста.
В. Перебейнос― Эти жидкокристаллические светодиоды подсвечивают.
Н. Асадова― Что они подсвечивают? Я не понимаю.
Е. Быковский― Надо объяснить Наргиз и всем нашим слушателям, как устроен жидкокристаллический экран в двух словах. Василий, вы справитесь?
Н. Асадова― Егор, может быть ты справишься тогда? В двух словах. Принцип основной.
Е. Быковский― Работа его достигается тем же самым смешением цветов, о котором мы уже говорили. Там стоят светодиоды, которые смешивают цвета, получают оттенок. На самом деле жидкокристаллические дисплеи лежат достаточно далеко от нашей темы, потому что они ничего не освещают, а дают нам возможность…
Н. Асадова― Более чётко видеть разные изображения.
Е. Быковский― Да, мы говорим о свете.
Н. Асадова― Да, свет же играет какую-то роль всё-таки. Вряд ли без света мы бы увидели что-нибудь на экране.
Е. Быковский― Кстати, порекомендую всем, пользуясь случаем, я всем рекомендую не читать никакие книжки на жидкокристаллических экранах никогда, а приобрести какой-нибудь EMP-экран и читать это при обычном белом свете: можно диодным, можно даже лампы накаливания.
Н. Асадова― Сейчас мы должны прерваться на 2 минутки рекламы, и затем вернёмся в эту студию.
РЕКЛАМА
Н. Асадова― В эфире передача «Наука в фокусе». Говорим сегодня про эволюцию света: как получить Нобелевскую премию по физике? И в эфире по-прежнему Наргиз Асадова, Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе», и наш гость Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества. И мы тут говорили всё про светодиоды и про то, что сейчас это дорогая технология.
Какие есть пути её удешевления? В какую сторону двигаются учёные, чтобы каждый человек мог позволить себе купить такую лампочку?
В. Перебейнос― Вы упоминали органические материалы, которые используются в жидкокристаллических дисплеях, они намного дешевле, потому что всё-таки вот эти технологии, за которые дали Нобелевскую премию, они довольно дорогие, то есть нужно использовать молекулярно-лучевую эпитаксию, и это довольно дорогое производство. Работать с органикой дешевле. И если мы сможем печатать дисплеи или печатать светодиоды.
Н. Асадова― На 3D-принтерах.
В. Перебейнос― Как на принтере, да. Даже на 2D-принтере. То это намного дешевле. Конечно, не будет такое качество с большим коэффициентом полезного действия. Но зато это будет дёшево.
Е. Быковский― И быстро. Но надо уточнить просто, что любая технология в момент возникновения всегда дорогая. Я думаю, что… каких-нибудь для лампочек накаливания тоже казалось делом просто совершенно поразительно дорогим, явно пропорционально сильно больше, чем сейчас. То же самое, наверное, произойдёт и со светодиодами.
Н. Асадова― Но мы же всё время говорили о том, что именно чистота этого кристалла имеет большое значение, потому что мы стремимся к увеличению КПД. И если мы будем на принтерах это печатать, значит КПД упадёт опять.
В. Перебейнос― То есть это будет на порядки. Как в электронике. Есть компьютеры, которые считают быстро, а есть, которые считают медленно, но и дешёво. Мы даже не знаем, что это компьютеры. Скажем, карточку в метро прикладываем, там на самом деле маленький компьютер. Возможно, что продвижение будет в этом направлении, что лампочки будут у нас освещать сильно, а подсветка будет делаться более дёшево и большая поверхность будет покрыта.
Н. Асадова― А вот именно это изобретение, о котором мы сегодня говорим, оно уже используется в лампах в быту? Я могу купить такую лампочку? Сколько она примерно стоит?
Е. Быковский― Конечно.
Н. Асадова― Это эти самые светодиодные лампы?
Е. Быковский― Да, конечно, есть в продаже. Промышленно их начали производить где-то в году около 2000. То есть Накамура сделал первый образец в 1993 году, точно не помню. В начале 2000-х они уже появились. И в этот момент, если ты помнишь, вдруг люди стали ездить со всякими синими подсветками, знаешь, втыкали лампочки под свои Жигули.
Н. Асадова― Да, да, да.
Е. Быковский― В тот момент они резко подешевели. Даже не на порядок, а на пару порядков. После начала большого промышленного производства. И тут же себе все воткнули. Вообще синий цвет стал свидетельством прогресса. И во всяких фантастических фильмах появился везде синий цвет, сине-белый такой. Всё это стало очень модно.
Нормальные достаточно дешёвые лампы, дающие оттенок белого цвета правильной температуры появились в продаже несколько лет назад.
Н. Асадова― Я просто помню, когда-то мои знакомые ездили в Японию и привозили оттуда такие лампочки, они стоили каких-то бешеных денег. Я думала – господи, как можно за лампочки платить столько денег. А потом они мне объясняли – ты знаешь, они работают 50 лет.
И в итоге лучше купить одну, чем за это время купить миллион других обычных лампочек. Сколько работают…
Е. Быковский― Да, десятки лет. Она десятки лет будет работать с одинаковой интенсивностью, потребляя примерно одинаковое количество энергии, и перегорит очень нескоро. Я думаю, что вполне возможно, что на протяжении нашей с тобой жизни этого может не случиться.
Н. Асадова― На самом деле это потрясающе.
Е. Быковский― Василий с тобой не согласен. У них есть определённое время использования. У промышленных ламп, по-моему, это минимум 10 лет сейчас. Конечно, в момент подачи тока или выключения, это критические моменты, наверное, что-то может происходить, если не очень хорошо собрано. Но в принципе, если вы пользуетесь ей 2 часа в день, она рассчитана на 10 лет, это сколько получается тогда? Она проработает достаточно долго.
Н. Асадова― Это получается очень выгодно экономически. А есть ли в Америке, например, какие-нибудь программы по замене вот этих всех лампочек? Я слышала, что в Японии что-то такое есть. Они очень стремятся перейти к энергосберегающим лампам и технологиям.
В. Перебейнос― Я вообще научный консерватор, и когда пытался в Америке пытался покупать обычные лампочки, становилось всё сложнее, сложнее и сложнее, потому что в магазинах их приходилось искать на полках, потому что они реально стали исчезать и заменяться на более экономические лампочки.
Мне просто больше нравится свет от обычный, чем…
Н. Асадова― Он более жёлтый, более тёплый.
Е. Быковский― У вас, видимо, очень чувствительное зрение, потому что нынешние светодиоды фактически по цветовой температуре не отличаются. Можно подобрать прямо идеально солнечный свет.
Н. Асадова― То есть они ещё и разные оттенки цвета дают?
Е. Быковский― Конечно, температура бывает разная. Бывают белые лампы…
Н. Асадова― Я имею в виду, если просто светодиодная лампа, когда ты идёшь в магазин, ты выбираешь не только 60 Ватт, 120 Ватт, но ещё ты можешь по оттенку цвета…
Е. Быковский― Лампы накаливания не делают по оттенку цвета, потому что у неё всегда один и тот же оттенок, в отличие от флуоресцентных и всех прочих.
Н. Асадова― А как достичь нужного оттенка?
Е. Быковский― Энергией, сложением разных источников.
Н. Асадова― Короче, Егор, ответь мне на вопрос: когда я иду в магазин, если я хочу тёплый солнечный жёлтенький свет, а не синеватый...
Е. Быковский― На всех этих флуоресцентных и светодиодных лампах обычно есть такая полосочка, и там нарисована световая температура и в каком диапазоне данная лампа работает. Обращай на это внимание. Путём проб и ошибок ты…
Н. Асадова― Хорошо, я выясню путём проб и ошибок, потом доложу, какие нужно покупать лампочки.
По поводу Нобелевской премии мы пришли к выводу, что правильно дали Нобелевскую премию за практическое достижение. И действительно мы видим сейчас, что мы в повседневной жизни очень активно используем это изобретение. А вот если говорить про будущее, в том числе и Нобелевской премии, Жорес Алфёров, нобелевский лауреат 2000 года.
Е. Быковский― Жорес Алфёров, кстати, получил Нобелевку за гетерогенные структуры, без которых этих самых светодиодов тоже не было бы. То есть за светодиоды получили нобелевские премии много людей. Некоторые из них – наши люди.
Н. Асадова― Он как раз говорил о том, что он считает, что в будущем году могут дать скорее всего за фундаментальные какие-то исследования в физике. С другой стороны он также не видит ничего страшного, чтобы давать нобелевские премии за какие-то технологические достижения.
Е. Быковский― Давайте попробуем сейчас прикинуть. Вот, Василий, как вы думаете, есть ли какие-то, помимо фундаментальной науки, там у нас впереди ещё много интересного, связанного с чёрными дырами и тёмной материей. А что есть интересного, за что стоит дать Нобелевку в практическом приложении?
Сейчас поговорили про синие светодиоды. Что за последние лет 20-30 было изобретено такого, что перевернуло нашу жизнь, а Нобелевку за это ещё не дали?
В. Перебейнос― Наверняка такое найдётся, и мы об этом узнаем через год. Как у меня сложилось впечатление, что вообще-то не так уж и много действительно фундаментальных открытий учёные производят. То есть, может быть, это связано с тем, что они больше стали делать прикладные исследования, а меньше фундаментальных. Но так навскидку сказать, что такое совсем фундаментальное, в принципе в физике твёрдого тела во всяком случае… Это надо находить, то есть новый эффект, который никто раньше не наблюдал, скажем, квантовый дробный Холл-эффект. Это 1980-е годы мы говорим. А в этом смысле, я думаю, сейчас будут просто переключаться, вот, то, что Егор хочет, чтоб находили именно то, что имеет практическое применение.
Е. Быковский― Критическое применение.
Н. Асадова― То есть больше за практику будут скорее давать?
Е. Быковский― Я за правильное чередование. Дадут, допустим, Нобелевку за инфляционную теорию, условно говоря, а следующую Нобелевку чтоб за что-нибудь практическое.
Н. Асадова― Все эти исследования невозможны без большого вливания денег. Японская троица, как их называют, нобелевских лауреатов этого года в университете сделали своё открытие.
Е. Быковский― Только один из них был университетский сотрудник, второй был аспирант, а третий вообще был инженер в совершенно посторонней… который случайно прочитал про это открытие и решил – дай-ка я тоже попробую. И подключился.
Н. Асадова― Действительно, так. Но тем не менее я читала отзывы по поводу этой Нобелевской премии. И как раз там говорили о том, что многие фирмы, в том числе IBM, отказались от такого рода исследований. Они просто посчитали, что это для них неэффективное вливание денег. И вот эти ребята упорным трудом в университете всё равно сделали светодиод, втроём собравшись.
Как перераспределяются сейчас деньги? Вы говорите, что они всё больше идут в сторону практического какого-то применения. Соответственно, вероятные открытия будут скорее в этой области, в области практического применения.
В. Перебейнос― Практическое применение без фундаментального невозможно. Поэтому фундаментальные исследования всё равно надо поддерживать.
Н. Асадова― К сожалению, наша передача подошла к концу. Мы сегодня поговорили про эволюцию света, про то, за что получили Нобелевскую премию по физике в этом году. Мы с вами прощаемся. Всего доброго. И до следующего воскресенья.
Е. Быковский― Счастливого вам конца воскресного дня. До свидания.
Послушать интервью можно здесь.
