Лео Эсаки. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Лео ЭСАКИ (Esaki)

(12.03.1925)

Нобелевская премия по физике, 1973 г. за экспериментальные открытия явлений туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках совместно с Брайаном Д. Джозефсоном и Айваром Джайвером. Открытие было быстро воспринято в электронике, нашло применение при детектировании гравитационных волн, геологической разведке рудных месторождений, передаче сообщений сквозь толщу воды и горные массивы, изучении электромагнитного поля вокруг сердца и головного мозга.

Японский физик Лео Эсаки родился в Осаке, в семье архитектора Соихиро Эсаки и Ниеко Ито Он учился в Токийском университете, по окончании которого в 1947 г. получил степень магистра наук. Проработав несколько лет в корпорации «Кобе Когио», в 1956 г. Эсаки перешел в корпорацию «Сони» в Токио, где возглавил небольшую исследовательскую группу. Одновременно он продолжал работу над диссертацией.

Классическая физика утверждает, что в электрической цепи, разорванной барьером из изолятора, ток течь не будет. Квантовая механика допускает несколько иную ситуацию если барьер достаточно узок, то электроны могут «туннелировать» сквозь него. Такое подбарьерное прохождение происходит потому, что положение электрона не может быть определено абсолютно точно и, следовательно, всегда существует некоторая вероятность того, что электрон появится по другую сторону барьера. Чем тоньше барьер, тем выше вероятность туннелирования. Хотя этот эффект был предсказан еще в начале 30-х гг., но и к середине 50-х гг. он еще не был доказан экспериментально.

Работая над докторской диссертацией, Эсаки решил попытаться проверить эффект туннелирования на полупроводниках силами своей исследовательской группы Полупроводниками называются такие материалы, как кремний и германий Число носителей тока в них относительно мало, и в определенных пределах его можно регулировать, изменяя соответствующим образом концентрацию примесей.

Эсаки и его коллеги работали с соединенными диодами, в которых соседние зоны в полупроводнике легировались электрически активными примесями противоположной полярности. Диод свободно проводит ток в одном направлении, а соединение представляет собой барьер, не пропускающий его в противоположном. Барьер образуется, когда содержание носителей заряда вблизи перехода обедняется. При увеличении концентрации примесей ширина обедненной области уменьшается. Группе Эсаки удалось создать диоды с очень высокими концентрациями примесей. Тем самым были созданы диоды с необычайно узкими переходами и высокой вероятностью туннелирования. Эсаки показал, что электрические характеристики таких диодов согласуются с представлениями квантовой механики.

Исследуя свойства таких диодов, Эсаки обнаружил, что у некоторых из них вольт-амперная характеристика (зависимость тока от напряжения) выглядит «расплывчато». Если туннельные токи в диодах велики, сопротивление диодов становится отрицательным в ограниченном диапазоне изменений тока напряжение на диоде падает при увеличении тока (В обычном резисторе ток пропорционален напряжению). Цепь с таким отрицательным сопротивлением может порождать высокочастотные колебания. Эсаки разработал диоды с еще большей концентрацией примесей и значительно более высокими (по абсолютной величине) отрицательными сопротивлениями. Такие туннельные диоды (диоды Эсаки) с переходами шириной всего лишь в десять миллиардных метра (тридцать атомов) сразу же после создания их первых образцов в 1957 г. могли быть использованы для генерации и детектирования высокочастотных сигналов. Эффект туннелирования помог понять свойства и поведение полупроводников и сверхпроводников. Эсаки представил докторскую диссертацию о явлениях туннелирования в полупроводниках Токийскому университету и в 1959 г. получил ученую степень доктора наук.

В следующем году он стал сотрудником исследовательских лабораторий корпорации «Интернейшнл бизнес машине» (ИБМ) в США, где занимался исследованиями по физике полупроводников. В 1965 г. Эсаки был произведен в члены ИБМ, т.е. достиг высшего положения в научной иерархии фирмы. Работая в ИБМ, он приступил к пионерским исследованиям полупроводниковых суперрешеток, т.е. сложных структур, получаемых при осаждении чрезвычайно тонких слоев различных полупроводников, образующих единую структуру, в одном кристалле. Как показали эксперименты, суперрешетки обладают такими физическими свойствами, что оказались идеальным средством для понимания эффектов в физике твердого тела. Они позволят создать быстродействующие компьютерные схемы с меньшим потреблением энергии, чем распространенные сейчас кремниевые. Специалисты считают, что в 90-е гг. суперрешеточные материалы станут наиболее важными компонентами быстродействующих компьютеров.

Эсаки получил Нобелевскую премию по физике в 1973 г. вместе с Айвором Джайевером «за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках». (Другую половину премии получил Брайан Д. Джозефсон также за работу по туннелированию). «В серии блестящих экспериментов и расчетов вы исследовали различные аспекты явлении туннелирования в твердых телах, – заявил, обращаясь к трем Нобелевским лауреатам, Стиг Лундквист из Шведской королевской академии наук. – Ваши открытия проложили дорогу в новые области исследования и позволили достичь более глубокого понимания поведения электронов в полупроводниках и сверхпроводниках, макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках». В своей речи Лундквист отметил также, что открытия Эсаки, Джайевера и Джозефсона тесно связаны между собой, так как «пионерские работы Эсаки послужили основой и непосредственным стимулом для открытия Джайевера, а работы Джайевера... привели к теоретическим предсказаниям Джозефсона».

В ответной речи 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, – продолжал он, – 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».

Работая в США, Эсаки сохранил японское подданство. В 1959 г. он женился на Мисако Араки, у них родились две дочери и сын.

Эсаки избран членом Японской академии, Американской академии наук и искусств, иностранным членом Национальной академии наук США. С 1967 г. Эсаки является директором ИБМ. Он удостоен почетных степеней японской школы Досида и Политехнического университета Мадрида. Он награжден премией Морриса Н. Либмана Института радиоинженеров (1961), медалью Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1961) и японским орденом Культуры (1974).

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.