В начале прошлого века было сделано изобретение, на первый взгляд далекое от каждодневных нужд. Физики научились работать при очень низких, близких к абсолютному нулю температурах. Последовавшая вслед за этим лавина открытий привела к явлению, которое сегодня мы называем научно-техническим переворотом XX века. Революция в науке изменила лицо нашей цивилизации не меньше, а то и больше, нежели революции социальные.

Сегодня успехи микротехнологии сделали доступными для ученых расстояния, лишь в несколько раз превышающие размер атома. Умение манипулировать материалами на атомарном и молекулярном уровнях ставит человечество на порог новой научно-технической революции. И, может быть, даже более радикальной, чем предыдущая. Какие преобразования обещает новое научное направление -- нанотехнология -- рассказывает руководитель Института теоретического материаловедения Национальной лаборатории в Аргонне Валерий ВИНОКУР.

-- Новая наука появляется на пересечении современной физики и материаловедения. Занимается нанотехнология необычными свойствами, которые обнаруживают материалы на шкалах порядка 10--100 атомных размеров. При таких расстояниях квантовые эффекты начинают играть главную роль и часто коренным образом изменяют основные свойства материалов.

-- Каким, например, образом?

-- В принципе, эти новые явления могут и вредить работе традиционной техники. Но могут также служить основой для создания принципиально новых приборов и устройств с необычными свойствами. Например, устройств с очень низким трением. Или миниатюрных приборов, размер которых будет сравним, скажем, с атомным. Кроме того, в маленьких объемах можно будет реализовать так называемый принцип самосборки. Это явление нам знакомо из генетики, когда при размножении фрагменты ДНК репродуцируют друг друга. Мы надеемся, что можно будет получать материалы с заданными свойствами, которые станут воспроизводить сами себя. Это очень перспективно, ведь речь идет о самовоспроизведении неживой материи.

Вообще, возникновение нанотехнологии связано с попыткой создать так называемые одноэлектронные устройства, которые смогли бы заменить традиционные транзисторы и другие микроструктуры. Действие таких устройств будет основано на возможности манипулировать и управлять движением одного электрона. Особенно интересно недавно появившееся научное направление -- спинтроника. В обычной электронике «элементарной частицей» является заряд электрона, спинтроника же предлагает создать принципиально новый класс устройств, основанный на оперировании спином электрона. Спин -- это квантовое свойство электрона, очень привлекательное для передачи информации. Это как бы заготовленная самой природой элементарная логическая ячейка. Спинтроника пытается утилизировать это свойство, заставить его работать на человека. Чтобы можно было сначала записать информацию на отдельном электроне, потом передать ее вместе с электроном и считать. Мы полагаем, что это может стать более удобным методом транспортировки информации, нежели нынешняя передача ее с помощью заряда или его отсутствия.

-- И что мы получим?

В результате появятся устройства, способные стать основой для нового поколения транзисторов, ячеек памяти и компьютеров. Более того, новые свойства вещества, которые проявляются на таких нанометровых расстояниях, могут позволить создать принципиально новый тип компьютеров. Речь идет о так называемых квантовых компьютерах, в которых скорость вычислений возрастает в миллиарды и миллионы миллиардов раз. Это позволяет решать задачи, которые в принципе невозможно решить, используя традиционные компьютеры.

-- Но когда, простите, появятся такие компьютеры, и в каких областях их можно будет использовать?

-- Восточная мудрость гласит: для того чтобы сделать миллион шагов, нужно сделать первый. И мы сейчас находимся только в состоянии первого шага. Уже понятно, каким должен быть логический элемент такого компьютера. Это, например, может быть спин одного электрона или одной молекулы. Однако необходимо, чтобы он обладал двумя взаимоисключающими свойствами: мы должны иметь возможность записывать на него информацию, а затем ее считывать, но, с другой стороны, в промежутке между этим логический элемент не должен взаимодействовать с окружающей средой. Совместить это трудно. Однако опыт показывает: когда мы заранее точно знаем, что именно нужно создать, то ищется просто подходящее решение и успех приходит гораздо раньше, чем думаешь.

А использовать эти компьютеры можно будет всюду, где требуются параллельные вычисления большого объема. Ну, например, квантовый компьютер сможет раскодировать практически любые сообщения. Именно поэтому, кстати, им так интересуются военные.

Уже сейчас «нанометровые» сверхпроводимость и магнетизм, явления квантового транспорта и наномеханики становятся центральными направлениями современной физики твердого тела. Они необычайно увлекательны с научной точки зрения. Безумно интересно исследовать физические системы, в которых, с одной стороны, изменение положения даже одного атома может фундаментально изменить свойства материала (или работу устройства), а с другой -- все поведение которых определяется квантовыми эффектами. Возникающая буквально на наших глазах нанофизика уже стала одной из самых притягательных научных дисциплин.

-- Рады за физиков, которым очень интересно работать. А что их открытия дадут человеку, который изучение точных наук завершил в школе или институте?

-- В перспективе речь идет о создании новых типов транзисторов -- на основе не полупроводников, а металлов и сверхпроводников. Это сделает их более быстродействующими. А быстродействие качественно меняет всю технику: и сложную, и бытовую.

Это новый подход к информатике. Использование таких новых логических ячеек для записи, хранения и считывания информации обещает перевернуть все наши представления в этой области. Ведь можно будет создать устройства, которые сами исправляют ошибки. Например, пластинки или компакт-диски со временем теряют записанную на них информацию. А квантовые устройства памяти смогут поправлять собственные ошибки и хранить информацию вечно.

Использование микроскопических нанороботов позволит создавать материалы с любыми свойствами, например металл, в котором «самозалечиваются» трещины. Известно же, что одна из самых страшных проблем авиации сегодня все же не терроризм, а микротрещины на крыльях самолетов. Их практически невозможно заранее диагностировать, и мы узнаем о том, что на крыле были микротрещины, когда оно отваливается в воздухе. Новые материалы позволят нам забыть об этой проблеме. Нанороботы найдут и совершенно фантастическое применение в медицине. Они смогут проникать в малейшие сосуды организма и совершать необходимые для лечения процедуры. Их можно будет применять и в микрохирургии, и в генной инженерии. То есть фантастика станет реальностью.

-- И чтобы ускорить этот процесс, вы намерены собрать в свой проект лучших из лучших?

-- Технологии завтрашнего дня требуют и новых форм организации научных исследований. Сегодня трудно рассчитывать на открытие, запершись от всего мира в одной лаборатории. Наш Институт теоретического материаловедения реализует одну из таких новых форм исследований. Основу института составляют несколько постоянных сотрудников, которые и определяют наиболее интересное научное направление. Если хотите, мы обозначаем направление главного удара. Но для того, чтобы этот удар состоялся, мы приглашаем ведущих специалистов в выбранных областях. Многие из них, кстати, часто привносят в наши программы совершенно новые темы. То есть программа становится глобальной не только по исполнению, но и по замыслам. Речь идет о различных сроках сотрудничества -- от двух недель до двух лет. И, кстати, нашими партнерами могут быть не только именитые профессора и академики, но и молодые талантливые ученые, только начинающие свою карьеру.

-- Я так понял, что ваш институт сильно отличается от привычных советско-российских НИИ. В чем главное отличие?

-- Мы формируем из приглашенных исследовательские мини-группы, которые работают в тесном взаимодействии с экспериментальными группами и другими теоретиками лаборатории. Этот режим работы обеспечивает гибкость и мобильность, а также возможность сконцентрировать значительные научные усилия на важнейших направлениях и получать результаты в кратчайшие сроки.

-- Уже есть чем похвастаться?

-- В прошлые годы наш институт, который тогда еще назывался «Программой», концентрировался на физике сверхпроводимости. Шесть научных работ, выполненных участниками программы, были названы «оказавшими наиболее значительное влияние на развитие физики в прошедшем десятилетии». После этого мы оказались в первой двадцатке лидирующих научно-исследовательских центров мира. Но не менее важен и тот факт, что программа была реорганизована в институт, выделены новые гранты на исследования -- и это в то время, когда повсеместно наблюдается глобальное сокращение ассигнований на фундаментальную науку. Я считаю, что это тоже является показателем успеха.

-- Допустим, вы объявили «направлением главного удара» нанотехнологию. И что дальше?

-- Наш институт инициировал создание глобальной сети по сотрудничеству в области наноматериаловедения. Сравнить ее можно, например, с проектом по расшифровке генома человека, в который, как известно, были вовлечены лучшие микробиологи и генетики США, Великобритании, Европы и Японии. У нас уже налажены партнерские отношения с лидирующими исследовательскими институтами, ведущими активную работу в области нанофизики и нанотехнологий. Частью новой международной программы кроме ИТМ стали Лейденский университет и Технологический университет в Дельфте (Голландия), университет Осло и университет в Чалмерсе (Швеция). Чрезвычайно плодотворно сотрудничество между ИТМ и нижегородским Институтом физики мирокструктур РАН. В области спинтроники мы взаимодействуем с Физико-техническим университетом им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге. Речь идет о совместных долгосрочных проектах, координации исследований, обмене визитами, развитии совместных образовательных программ, проведении международных школ и конференций.

-- Ну а когда все же могут появиться первые результаты?

-- У нас есть несколько совместных публикаций, уже вызвавших широкий резонанс в научной среде. Одна из них, например, описывает явление, с помощью которого можно изготовить квантовый выключатель размером чуть более одного атома, управляемый слабым магнитным полем, -- для будущих миниатюрных приборов. И несколько экспериментальных групп в ведущих лабораториях мира сейчас пытаются создать его прототип. Надо сказать, что успех наших публикаций в престижных научных журналах позволил получить дополнительный грант от НАТО в поддержку совместного проекта по наносверхпроводимости и магнетизму.

-- Причем тут НАТО? Вы на военных работаете?

-- Наверное, в России по-прежнему считают, что НАТО -- это исключительно военная организация. Между тем она уже давно способствует культурному и научному обмену с Восточной Европой и государствами бывшего СССР. Это один из самых солидных спонсоров научных конференций и школ в Европе. И я вам скажу, что сегодня практически невозможно получить грант НАТО, поддерживающий научный проект, если в нем не участвуют представители России или какой-либо восточноевропейской страны. Кстати, именно НАТО спонсирует международную конференцию «Квантовый транспорт в наноприборах и устройствах», которую мы проводим с 3 по 7 июня в Санкт-Петербурге.

-- Вы собираетесь провести конференцию по технологиям будущего в России, которую теперь принято считать технологически отсталой?

-- Эта конференция будет уже третьим крупным мероприятием в рамках глобальной программы по освоению нанотехнологий. Предыдущие состоялись в октябре 2001года в Аргонне и в конце апреля 2002 года в Лейдене. Конференция в Санкт-Петербурге как бы завершает цикл первого года совместной работы.

Но мероприятие в Петербурге планируется не только как форум, на котором будут обсуждать научные результаты и ход выполнения начатых ранее совместных проектов. Его можно рассматривать и как инструмент приобщения российских ученых, и особенно молодых ученых, к глобальным долгосрочным международным проектам в области нанофизики и нанотехнологии. Скажем, петербургский физтех имеет давние традиции, огромный опыт и достижения в области микроэлектроники. Участие его выпускников и ученых в международной нанопрограмме должно стать вкладом России в успех этой программы.

-- То есть вы планируете организовать новый канал «утечки мозгов»?

-- Скорее, канал для привлечения средств в российскую науку. Который, наверное, был бы невозможен, если бы не было этой «утечки мозгов», к которой почему-то все относятся только негативно. А в «утечке мозгов» есть и свои плюсы. В конце концов, и сам я, с одной стороны, вроде бы «утек», но с родиной контактов не прерываю. И предлагаю коллегам новые проекты.

Давайте смотреть объективно: у России нет денег, по крайней мере в достаточном количестве, на то, чтобы поддерживать свою науку. И я, например, не склонен считать это отсутствием государственной мудрости в Кремле. Это печальная, но объективная реальность. При этом совершенно понятно, что наиболее талантливые ученые должны быть сохранены именно как ученые. Не только в интересах страны, но и в интересах всего человечества. В России многим из них пришлось бы уйти из науки, чтобы как-то прокормить семью. За границей они имеют возможность работать. При этом те, кому удалось получить хорошую позицию на Западе, приглашают своих бывших студентов и сотрудников сюда в аспирантуру или на стажировки. Причем затем аспиранты очень часто возвращаются назад. Скажем, из молодых российских ученых, которые интересуют как профессионалы меня лично, половина уже вернулась в Черноголовку. Но они успели завязать здесь связи и контакты и имеют возможность бывать на Западе в командировках, выполнять работу по зарубежным грантам. Зарплата, которую эти ученые получают за границей, позволяет работать и содержать семью на родине.

А основательно закрепившиеся на Западе сейчас стараются наладить сотрудничество с институтами, из которых они вышли, или с другими российскими научными центрами. Мы предлагаем совместные проекты, позволяющие привлечь в страну гранты, деньги на исследования и в конечном счете сохранить науку в России и для России.

И наконец, последнее. Когда ситуация в России изменится к лучшему, очень многие ученые просто вернутся.

-- Сомнительно что-то...

-- Есть реальные примеры. Тот же Китай. Сейчас там экономика на подъеме, и они вкладывают огромные деньги в науку. Поэтому одновременно с оттоком научной молодежи из Китая на Запад наблюдается приток ведущих специалистов, возвращающихся назад. Причем многие отсутствовали на родине по 20--30 лет. А сейчас с удовольствием приезжают обратно и получают возможности, которых у них не было в Америке.

Я совершенно уверен, что то же самое будет и в России.

Созданный чуть больше года назад Институт теоретического материаловедения хотя и входит в состав известнейшей Национальной лаборатории в Аргонне, что расположена рядом с Чикаго, уже заявил о себе как о самостоятельном научном центре, претендующем на лидирующие позиции в области физики твердого тела. Труды ученых-теоретиков, участвующих в инициированных ИТМ программах, пытаются воплотить в жизнь во многих научных центрах мира. Но в департаменте энергетики США, к которому относится лаборатория в Аргонне, отмечают еще и то, что институт использует довольно эффективную форму организации исследований. Руководитель направления научного материаловедения Национальной лаборатории Джордж Грэбтри утверждает, что ИТМ одним из первых в мире предложил новую концепцию работы, которая наверняка сможет повысить эффективность всех физических лабораторий и центров в США. Привлекая для временного сотрудничества лучших физиков-теоретиков из разных стран, институт получает возможность работать над наиболее важными для современной науки темами и одновременно создает глобальную сеть, объединяющую крупнейшие исследовательские центры.

Директор Института теоретического материаловедения Валерий Винокур, согласно данным международного Института научной информации, является одним из самых цитируемых физиков мира. Четыре сотрудника Национальной лаборатории в Аргонне, в том числе и г-н Винокур, возглавили список из 100 ученых, чьи труды чаще всего упоминались в научных публикациях, а также в студенческих и аспирантских работах в последнем десятилетии XX века.