Физика

Нобелевские лауреты: Лео Эсаки

Премиальный диод

Wikimedia Commons

Сегодня в традиционной рубрике «Как получить Нобелевку» мы завершаем рассказ о Нобелевской премии по физике 1973 года. Как вы помните, все лауреаты этого года живы до сих пор: они сделали свои открытия в сравнительно молодом возрасте и сравнительно быстро дождались признания. Наш третий рассказ — о японском лауреате, работы которого вдохновили его коллег по награде на свои прорывы. Итак, старейший на сегодня японский нобелевский лауреат: Лео Эсаки, или, если быть более точным, Эсаки Рэона, как его зовут в Стране восходящего солнца.

Лео Эсаки (Эсаки Рэона)

Родился: 12 марта 1925 года, Такайда-мура, префектура Осака, Япония.

Нобелевская премия по физике 1973 года (1/4 премии, совместно с Айваром Джайевером, вторую половину премии получил Брайан Джозефсон). Формулировка Нобелевского комитета: «За экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках соответственно (for their experimental discoveries regarding tunneling phenomena in semiconductors and superconductors, respectively)».

Будущий изобретатель туннельного диода родился в семье архитектора Соихиро Эсаки и его супруги Ниеко Ито. Он рос неподалеку от Киото, там же окончил знаменитую Третью высшую школу (фактически — часть Киотского университета), а затем начал изучать физику в Токийском университете. К слову, как у многих героев нашей рубрики, без учителя-нобелиата (действующего или будущего) не обошлось: курс ядерной физики у Эсаки читал сам Хидеки Юкава, предсказатель существования мезонов. Напомним, что именно Юкава в 1949 году станет первым японским нобелевским лауреатом. Эсаки станет четвертым (и третьим по физике — в «хардкорную» естественнонаучную компанию в 1968 году вклинится Ясунари Кавабата, лауреат премии по литературе).

Не обошлось и без везения: в 1944 году мир мог остаться без будущего нобелиата, но знаменитая бомбардировка Токио не задела Эсаки.

По окончании Токийского университета Эсаки занялся электроникой и какое-то время (с 1947 по 1956 год) проработал в компании Kobe Industry Co., Ltd. Но все-таки нужно было делать диссертацию, и в 1956 году наш герой перешел в более солидную корпорацию Sony, где стал главой скромной исследовательской группы.

В своей диссертационной работе Эсаки решил «поймать» в эксперименте то, что было предсказано еще в 1930-е годы, но до сих пор никак толком не наблюдалось: эффект туннелирования электронов.

Этот квантовый эффект был математически выявлен немецким физиком Фридрихом Хундом, затем описан Георгием Гамовым, Рональдом Герни и Эдвардом Кондоном, а затем работу Гамова очень подробно разработал Макс Борн.

Если быть честным, то туннельный эффект в виде необъяснимого тогда поля стационарной эмиссии между электродами наблюдал еще в 1911–1914 году аспирант Дж. Дж. Томсона Франц Розер, но тогда это не было объяснено.

В классической физике если между проводниками будет создан разрыв цепи изолятором, то тока никакого не будет. Однако квантовая теория говорит, что из-за принципа неопределенности в случае достаточно узкого барьера электрон может проскочить этот барьер, «туннелировать».

В своем поиске Эсаки работал с соединенными диодами, в которых соседние зоны в полупроводнике легировались электрически активными примесями противоположной полярности. Как известно, диод свободно проводит ток лишь в одном направлении, а соединение их представляло собой тонкий барьер, не пропускающий его в противоположном. Барьер образовывался, когда содержание носителей заряда вблизи перехода обедняется. Если увеличивать концентрацию легирующих примесей, ширина обедненной носителями заряда зоны уменьшалась. И Эсаки с коллегами удалось добиться таких высоких концентраций, что ширина зоны оказывалась достаточной для туннелирования.

Диод Эсаки

Wikimedia Commons

На практике это проявлялось в том, что у «диода Эсаки» (потом это название стало официальным) вольт-амперная характеристика (любимое радиолюбителями слово ВАХ, зависимость тока от напряжения) выглядит нелинейно. Если в таких диодах удавалось достичь достаточно больших туннельных токов, сопротивление диодов становилось отрицательным в ограниченном диапазоне изменений тока. Достаточно быстро Эсаки смог создать туннельные диоды с шириной перехода всего в три десятка атомов, что привело к созданию генераторов и детекторов высокочастотных сигналов.

Ключевая статья Эсаки в PhysRev вышла в 1958 году. Она-то и привела японца через 15 лет к высшей научной награде. Но к тому времени он уже работал в США (впрочем, сохранив японское гражданство). С 1960 года главным местом работы талантливого физика стала корпорация IBM (до 1992 года). И в связи с этим стоит исправить некоторую неточность в биографии Лео. Часто пишут, что в 1967 году он стал «директором IBM». Однако стоит открыть список CEO IBM (всего 10 человек в истории компании), чтобы убедиться в том, что Эсаки в нем нет. Эсаки стал IBM fellow — «член IBM», или, точно, член «академии IBM», высшая позиция в научной иерархии корпорации.

Эсаки в корпорации Sony

В 1973 году Эсаки вместе со своими коллегами, опиравшимися на его работы, удостоился Нобелевской премии по физике. Так сложилось, что именно наш герой стал первым в истории лауреатом Нобелевской премии, получившим ее из рук взошедшего на трон в сентябре нового шведского короля Карла XVI Густава, который и по сей день вручает высшие научные награды 10 декабря каждого года, в день смерти Альфреда Нобеля.

Карл XVI Густав

В своей речи на Нобелевском банкете Эсаки сказал: «Брайан Джозефсон, Айвор Джайевер и я воспитаны в совершенно разных культурах... Мы некоторым образом символизируем то, что в физике, как и в других науках, не существует национальных или расовых границ... Фундаментальные знания о природе — одно из величайших сокровищ... и принадлежит оно всему человечеству... В нашем мире существует немало высоких барьеров — между нациями, расами и религиями. К сожалению, некоторые из них широки и прочны. Но я надеюсь, более того, я уверен, что мы найдем способ, позволяющий легко и свободно туннелировать сквозь такие барьеры, и сплотим мир в единое целое».

Лео Эсаки как представитель древнего народа вообще остается мастером образных и точных высказываний.

В 1994 году на очередной встрече с нобелевскими лауреатами в Линдау Эсаки сформулировал свои знаменитые «Five don’t» — пять вещей, которые не стоит делать молодому исследователю:

«Не позволяйте себе быть пойманным в ловушку вашим прошлым опытом.

Не позволяйте себе чрезмерно привязываться к какому-либо авторитету в своей области — возможно, к великому профессору.

Не цепляйтесь за то, что вам не нужно.

Не избегайте конфронтации.

Не забывайте о своем детском любопытстве».

Хороший совет. До сих пор ему следую.