Нобелевские премии 2000 года

"Nature" 2000, v.407, р. 661

Награды удостоены россиянин Жорес Иванович Алферов и американцы Герберт Кремер (родился в Германии) и Джек Килби за достижения в электронике.

Вся научная жизнь Алферова, отметившего в прошлом году свое семидесятилетие, ныне академика, вице-прези дента РАН, председателя президиума Санкт-Петербургского научного центра, директора Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе, профессора, завкафедрой и декана автора более 500 научных работ и 50 изобретений, связана с колыбелью отечественной полупроводниковой техники – ленинградским Физтехом, школой "папы Иоффе". Еще в 1953 г. Алферов разработал первые отечественные транзисторы, затем – фотодиоды, мощные германиевые выпрямители (для атомных подводных лодок).

В начале 60-х годов в США и СССР появились лазеры на арсениде галлия, однако они работали только при температуре жидкого азота и в импульсном режиме, из-за чего реального применения эти устройства не находили. Тут то Алферов и сделал свое главное открытие – в 1963 г. он предложил, а в 1967 г. реализовал лазер на гетероструктурах. Если ранее р – п переходы строились на одном типе полупроводника (но с разными примесями), то Алферов решил соединить вместе материалы с неодинаковыми по ширине запрещенными зонами. Теоретическое рассмотрение показало, что граница между ними будет обладать свойствами р – п-перехода и что именно такая конструкция обеспечит качественный скачок в его характеристиках (тут как бы аналог биологической двуполости, давшей какие-то важные эволюционные преимущества). Но для получения гетероперехода нужно было решить проблему совместимости атомных слоев двух разных веществ – можно сказать, что требовался "монокристалл с переменной структурой". Мало кто верил, что эту проблему удастся решить, но Алферов и его молодые сотрудники, проявив необыкновенное упорство и изобретательность, сумели разработать технологию (жидкофазную эпитаксию) для формирования пе рехода GaAs – GaAlAs. Началось построение схем на гетероструктурах, то есть содержащих два или несколько таких переходов. В результате был создан лазер, который стал непрерывно работать при комнатной температуре (другое важное применение гетероструктур – солнечные батареи). А полупроводниковые гетеролазеры стали ключевыми элементами родившейся вскоре оптоэлектроники, открывшей возможность волоконно-оптических линий связи с их огромной пропускной способностью.

Кремер из фирмы RСА в 1957 г. запатентовал транзистор на гетеропереходах, а потом независимо от ленинградцев и одновременно с ними тоже разработал гетеролазер.

Дальнейшее развитие гетероструктур привело к "сверхрешеткам", когда формируют пленки из многих различных слоев, каждый толщиной в сотни или десятки атомов. Тут полупроводниковая техника сомкнулась с нанотехнологией, объекты которой (квантовые точки, ямы и провода) "живуг"  уже по законам микромира. На их основе конструируют квантово-каскадные лазеры, искусственные атомы – современный вариант алхимии, одноэлектронные элементы логических схем и многое другое (“Новости науки", 1993, N11; 1994, N7; 1998, N2).

Перед Килби в 50-х годах стояла задача создать компактный слуховой аппарат. Сначала он сумел собрать весь прибор из транзисторов, а в 1959 г. (в фирме" Texas Instruments"), используя примитивную фотолитографию, диффузию и травление, воплотить его на одном кристалле. Так появилась первая в мире полупроводниковая интегральная схема. (Чуть позже этого достиг и даже продвинулся дальше Роберт Нойс из фирмы"Fairchild Semiconductor", но он остался без высшей научной награды, так как его уже нет в живых. Как говорил Нойс,"интегральная схема – плод моей лени: очень уж хотелось избавиться от кропотливого соединения отдельных транзисторов – стало ясно, что это надо делать, пока они все находятся на одной неразрезанной пластине".)

Вторая половина ХХ века – это путь от первых транзисторов до микропроцессоров и глобальных телекоммуникационных сетей. Цивилизация вступает в тера-эру – скорость передачи и обработки информации вскоре достигнет 10¹² бит/с и 10¹² операций/с. И краеугольные камни в этот прогресс заложили Алферов, Кремер и Килби.

Лауреатами стали Хидеки Ширакава (Университет в Цукубе), Алан Макдайрмид (Пенсильванский университет, а родился и вырос ученый в Новой Зеландии) и Алан Хигер (Университет в Санта-Барбаре) за исследования электропроводяших полимеров. Открытие, положившее начало этому научному направлению, – резкое увеличение проводимости полиацетилена при введении в него небольших добавок определенных веществ (допировании) – было сделано в Японии в начале 70-х годов отчасти случайно (об этом неординарном событии, о физико-химических основах проводящих полимеров, о фундаментальном вкладе трех нынешних лауреатов и работах российских ученых недавно рассказал на страницах нашего журнала В.А.Марихин из питерского Физтеха – 2000, N6).

Такие полимеры замечательны тем, что сочетают в себе электрические и оптические свойства металлов и неорганических полупроводников с дешевизной и технологичностью пластмасс."Синтетические металлы" легки, и их можно использовать вместо медных проводов там, где в качестве лимитирующего фактора выступает вес, – прежде всего в аэрокосмической технике. Их уже применяют в производстве гибких и экологически чистых аккумуляторов. Поскольку под действием приложенного электрического напряжения тонкая пленка из допированного политиофена меняет свой цвет, то на ней основывают цветные дисплеи и индикаторы; подобные пленки на стеклах окон будут по-разному пропускать солнечный свет, причем степень их прозрачности можно регулировать.

Проводимость некоторых полимеров уменьшается при их нагревании или действии на них других факторов, и, значит, они будут сигнализировать о таких воздействиях. Кроме того, они способны служить сенсорами-датиками определенных веществ – фиксировать наличие в среде молекул, которые, проникая вполимер,вызывают в нем изменения электрических свойств, аналогичные тем, что и при допировании. Просматриваются и другие, порой самые неожиданные применения. Так, предложено делать из химически инертного и долговечного полипиррола искусственные нервные волокна и имплантировать их в живую ткань (для протезирования нервов). А введенные в организм полимеры, допированные молекулами-лекарствами, могут выделять их в кровь по заданной программе с помощью электрических сигналов. В перспективе возможна чисто пластмассовая электроника – уже есть органические транзисторы, фотодиоды и лазеры.

Исследования чудо-материалов расширяются, и, как сказал Хигер,"в недалеком будущем они во многом изменят нашу жизнь".

Премию поделили нейрофизиологи – швед Арвид Карлсон из Гетеборгского университета и два ньюйоркца – Пол Грингард из Рокфеллеровского университета и Эрик Кэндел из Колумбийского (он родом из Австрии). Первые два отмечены за изучение процесса передачи нервного импульса от одного нейрона к другому с помощью химических сигналов (медиаторов); Кэндел известен своими исследованиями нервной системы улитки.

К началу ХХ века уже был понят двойственный характер процессов в мозге – электрический и химический, однако взаимоотношения между ними оставались неясными. В 1904 г. англичанин Т.Эллиот высказал медиаторную гипотезу, в 20 – 30-х годах ее развили и подтвердили О.Леви в Австрии, А.Ф.Самойлов и А.В.Кибяков в Казани, Г.Дейл в Кембридже. Сейчас известны десятки различных нейромедиаторов, и их список постоянно пополняется (наш известный специалист Д.А.Сахаров объясняет это тем, что нервная система образовалась в результате объединения клеток, происшедших из разных тканей и потому обладавших своим особым химизмом). Нарушения медиаторной передачи ведут к различным нервным болезням.

В 1959 г. Карлсон заметил, что транквилизатор резерпин резко уменьшает в участке мозга крыс, ответственном за сложные движения тела, содержание одного из важнейших медиаторов – дофамина. При этом у животных наблюдают ригидность мышц и тремор. Если затем им вводили соединение ДОФА (предшественник дофамина, который легче проникает в мозг из крови через гематоэнцефалический барьер), дрожь прекращалась. Тогда измерили содержание дофамина в мозге людей, умерших от болезни Паркинсона, и выяснили, что он в аналогичных участках мозга практически отсутствовал. В результате было найдено средство лечения этого распространенного среди старых людей недуга – ДОФА, который компенсирует у пациентов недостаток дофамина.

Механизмы преобразования химического сигнала в электрический могут быть разными. В простейшем случае выпущенный из нервного окончания в синаптическую щель медиатор связывается с рецепторами на мембране постсинаптического нейрона; эти белки меняют свою конформацию, из-за чего в мембране открываются поры, через которые устремляются ионы, вызывающие нервный импульс. Более сложный сценарий состоит в том, что медиаторы (их называют первыми посредниками) влияют на концентрацию определенного вещества (второго посредника) в последующем нейроне, что запускает в нем цепь биохимических реакций, приводящих к генерации электрического импульса. Группа Грингарда в 70-е годы (тогда в Йеле) доказала, что для нескольких медиаторов, в том числе норадреналина, дофамина, серотонина и гистамина, таким вторым посредником служит цАМФ. Оказалось, что цАМФ активирует в постсинаптической клетке ферменты киназы, а те фосфорилируют мембранные белки, тем самым изменяя проницаемость мембран для ионов.

Выяснение механизмов синаптической передачи пролило свет на действие психотропных препаратов (многие галлюциногены сходны по структуре с медиаторами), а также на причину шизофрении, – видимо, ее вызывает повышенная активность дофаминовых систем мозга. Поэтому применяемые от нее лекарства обладают общим свойством – они инактивируют рецепторы дофамина.

Кэндел поставил себе цель разобраться в базовых механизмах обучения и памяти, для чего сосредоточил внимание на примитивном беспозвоночном – улитке Aplycia californica. В ее нервной системе в миллион раз меньше нейронов, чем у млекопитающих, однако она уже достаточно сложно организована; кроме того, у аплизии есть крупные нервные клетки, с которыми удобно экспериментировать. Кэндел изучал эффект втягивания жабры – защитной реакции, аналогичной отдергиванию руки от горячего предмета у человека. При этом он различал две формы обучения: привыкание, когда при многократном повторении раздражения реакция на него ослабевает, и сенситизация – если раздражение сопровождал болевой стимул, то последующая защитная реакция становится более активной.

Кэндел выявил несколько десятков сенсорных и моторных нейронов, задействованных в этих процессах, и детально их изучил. В итоге удалось выяснить структурные и биохимические изменения клеток, сопровождающие оба вида обучения, прежде всего перестройки синаптических связей. Ученый полагает, что именно они обеспечивают формирование нейронных схем, реализующих все более сложные формы поведения – вплоть до высших психических функций"царя природы".