Šiais laikais, kai bandoma sukurti, pavyzdžiui, net vieno elektrono tranzistorių, labai svarbus modeliavimas ir teorinis eksperimentų paaiškinimas.
Vilniaus pedagoginio universiteto (VPU) fizikai tiria fononais stimuliuotus tunelinius procesus esant stipriam elektriniam laukui, paprasčiau tariant - stengiasi paaiškinti elektrinio laidumo modelius puslaidininkiuose ir dabar ypač aktualiose nanostruktūrose, rašo „Lietuvos žinios“.
Šiemet prof. habil.dr. Povilas Pipinys, doc. dr. Antanas Kiveris ir doc. dr. Alfonsas Rimeika už 1967-2007 metų mokslinių darbų ciklą „Fononais stimuliuoto tuneliavimo vaidmuo puslaidininkių ir dielektrikų elektroliuminescencijai bei elektriniam laidumui“ yra tarp Mokslo premijos kandidatų fizikos srityje.
Nesuprasta A.Einsteino
Tuneliavimas, populiariai tariant, yra energetinės būsenos pakeitimas elektriniame lauke. Klasikinė fizika šio kvantomechaninio reiškinio nepaaiškina, o branduolio fizikoje jis yra žinomas nuo 1924 metų.
„Kvantinė mechanika yra universali mikropasaulio dariniams skirta teorija, todėl ją galima taikyti įvairioms medžiagos, tačiau ne visi šią teoriją supranta, - sakė LŽ prof. P.Pipinys. - Jos nesuprato ir Albertas Einsteinas, norėjęs sukurti net kitą teoriją, kad tik galėtų apsieiti be kvantinės mechanikos.“
VPU mokslininkams pavyko atskleisti elektronų tuneliavimo dalyvaujant gardelės fononams mechanizmą. Gardelės - elementarūs kieto kūno, pavyzdžiui, anglies ar deimanto, dariniai, kurie atspindi viso kūno struktūrą, todėl nereikia jo viso nagrinėti, užtenka vienos gardelės parodyti, kaip vyksta elektros srovės tekėjimas, kokią įtaką turi elektrinio lauko stiprumas, temperatūra, kokie atsiranda reiškiniai. Tų reiškinių yra begalės. VPU fizikai tyrinėja gana siaurą sritį - elektros krūvininkų tuneliavimo reiškinį dalyvaujant gardelės šiluminiams virpesiams, vadinamiesiems fononams.
Be praleistų galimybių
Plačiajai visuomenei mažai žinoma, kad Vilniaus pedagoginiame universitete atliekami ne tik edukologijos, bet ir fizikos moksliniai tiriamieji darbai, o prof. P.Pipinio mokykla savo srityje iki šiol užima pirmaujančias pozicijas pasaulyje.
Atlikti moksliniai tyrimai ir per juos gauti rezultatai reikšmingi tiek naujumu, tiek praktiniu taikymu šiuolaikinės mikrolektronikos ir ypač nanoelektronikos srityse. Per 70 straipsnių publikuota prestižiniuose pasaulio fizikos žurnaluose. Šiemet tarptautiniuose mokslo leidiniuose publikuoti keturi darbai. Tarp jų - anglies nanovamzdelių ir DNR ląstelės elektrinio laidumo aiškinimas.
Į VPU mokslininkų tyrimus atkreipė dėmesį ir aktualių darbų iš fizikos srities leidyklos. Pavyzdžiui, 2005 metais leidykla „Nova“ atsiuntė pasiūlymą parengti apžvalginį straipsnį leidinio „Progress in Condensed Matter Research“ tomui. Pernai ta pati leidykla pasiūlė bendradarbiauti leidžiant naują tomą iš nanotechnologijos ir nanodarinių fizikos srities.
Vis dėlto VPU mokslininkai pripažino, kad nedidelė tyrėjų grupė dėl finansų, laiko, pažangios įrangos ir žmonių stokos priversta praleisti kai kurias galimybes. Pavyzdžiui, prof. P.Pipinys pakviestas kitąmet dalyvauti tarptautinėje konferencijoje „NanoIsrael“ ir skaityti pranešimą. Gautas ir Indijos kvietimas, tačiau dalyvauti tarptautinėje konferencijoje neleidžia biudžetas, todėl bus pasiūlyta tik mokslinė medžiaga.
Kai pernai VPU fizikai dalyvavo Minsko, vienų iš lyderių nanostruktūrų kūrimo srityje, mokslininkų kartu su prancūzais rengtoje tarptautinėje konferencijoje, lietuvių darbas buvo publikuotas tarptautinės leidyklos „World Scientific“ išleistoje knygoje.
2005 metais vienas Indijos mokslininkas atsiuntė prašymą leisti metus padirbėti VPU laboratorijoje. Kiek vėliau toks prašymas gautas ir iš vieno Kinijos fiziko.
„Pas mus padirbėti nori net daktarai, žymiausiuose žurnaluose publikavę keliasdešimt straipsnių, tačiau tokiam bendradarbiavimui nėra sąlygų. Kaip atsivesti mokslininką į laboratoriją, kur yra 30 metų senumo prietaisai?! Vakaruose tokie tik archyvuose“, - kalbėjo doc. A.Rimeika.
Jau parengtas projektas atnaujinti skurdžias VPU laboratorijas. Tikimasi, kad nauja įranga duos impulsą ir naujiems tyrimams.
Lietuvių formulė
P.Pipinys dar 1962 metais, sugrįžęs iš aspirantūros Maskvos M.Lomonosovo universitete, tuometinio Vilniaus valstybinio pedagoginio instituto Fizikos ir matematikos fakultete (dabar VPU Fizikos ir technologijos fakultetas) įkūrė probleminę laboratoriją, subūrė jaunų mokslininkų grupę ir į atliekamus tyrimus įtraukė perspektyvius fizikos specialybės studentus. Dirbant labai pravertė mokslinė patirtis, sukaupta per aspirantūrą, vadovaujamą pasaulyje žymaus rusų mokslininko, liuminescencijos veidrodinės simetrijos dėsnio kūrėjo V.L.Liovšino.
Jau pirmaisiais savarankiško mokslinio darbo metais P.Pipinys pritaikė 1958 metais akademiko L.Keldyšo paskelbtą tunelinių perėjimų dalyvaujant gardelės fononams teoriją elektroliuminiscencijos dėsningumams paaiškinti, o vėliau kartu su jaunu teoretiku Šarūnu Kudžmausku, pasikviestu iš Lietuvos mokslų akademijos (LMA) Fizikos instituto, net papildė tunelinių šuolių teoriją naujomis idėjomis.
„Keldyšo idėjoms trūko konkrečios išraiškos, o papildyta teorija jau gana tiksliai buvo galima paaiškinti visus tuos procesus, - pasakojo doc. A.Kiveris. - Kita vertus, teoretikui eksperimentiniai tiriamieji darbai leido patikrinti savo teoriją.“
Aštuntame ir devintame praėjusio amžiaus dešimtmetyje atliktus darbus pastebėjo ir maskvietis teoretikas Fiodoras Davidčikas. Jo formulė, pasak A.Kiverio, yra tikslesnė, bet, kaip parodė nauji organinių puslaidininkių tyrimai, būtent lietuvių formulė, nors ir paprastesnė, labai gerai paaiškina laidumo procesus.
Idealiai tinkanti
Kai nuo 2000 metų prasidėjo vadinamasis nanostruktūrų amžius, fononais stimuliuoto tuneliavimo teorija taikoma ir naujausiems eksperimentiniams laidumo tyrimų rezultatams paaiškinti.
„Vienas dalykas yra teoriją paskelbti, kitas - viską apskaičiuoti. Tai tikrai didžiulis darbas, - pabrėžė A.Kiveris. - Tarkime, dabar labai madinga struktūra DNR. Atliekama daugybė tiriamųjų darbų ir reikia paaiškinti, kodėl, pavyzdžiui, elektriniai signalai, kuriais perduodama ar stimuliuojama informacija, plinta taip ar kitaip, koks modelis lemia tokį vyksmą. Mes pabandėme fononais stimuliuoto tuneliavimo teoriją pritaikyti ir DNR elektriniam laidumui.“
VPU fizikams šis bandymas pavyko. Mokslinis darbas, paaiškinantis, kad DNR molekulės elektrinio laidumo priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprumo ir temperatūros galima aprašyti ne kokia nors klasikine, o būtent tuneline kvantinės mechanikos teorija, buvo išspausdintas šių metų pirmame tarptautinio atviros prieigos žurnalo „PMC Physics B“ numeryje.
„Unikalus dalykas, kai pereinama prie nanotechnologijų, - kalbėjo A.Kiveris. - Bandoma sukurti net vieno elektrono tranzistorių, bet tam reikia modeliuoti ir eksperimentą, viską išmatavus, paaiškinti, kokiu pagrindu jis vyksta. Mūsų darbai atskleidžia, kad nuo gardelės virpesių labai priklauso tuneliavimo tikimybė. Dabar šią teoriją pabandėme pritaikyti nanostruktūrų laidumui. Idealiai tinka, nes galima paaiškinti viską labai plačiame temperatūros ir elektrinio lauko stiprumo intervaluose. Pavyzdžiui, žemos temperatūros intervale veikia vienas mechanizmas, kitu atveju - kitas, bet tai yra empirika, o ši teorija aprašo visumą nuo žemos arti absoliutaus nulio, temperatūros, kai skystėja helis ar vandenilis, iki aukštos kelių šimtų laipsnių temperatūros.“
Kai kurie VPU fizikų darbai buvo atlikti bendradarbiaujant su LMA Fizikos instituto, Puslaidininkių fizikos instituto, Rusijos mokslų akademijos Fizikos instituto, Tartu universiteto mokslininkais. Šiuo metu bendradarbiaujama su Norvegijos Vestfoldo laboratorija. Šiemet kartu paskelbtas straipsnis žurnale „Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures“ ir skaitytas pranešimas Bostone (JAV) vykusioje konferencijoje nanostruktūrų klausimais.
Milda Kniežaitė
