Традиционно в Татьянин день в МГУ имени М.В. Ломоносова награждают самых успешных и талантливых студентов и сотрудников. Для последних предусмотрены две премии — имени И.И. Шувалова и имени М.В. Ломоносова. «Шуваловская премия» вручается профессорам, преподавателям и научным сотрудникам в возрасте до 40 лет. Соискатели могут подать монографию, оригинальный учебник или докторскую диссертацию. «Лента.ру» поговорила с одним из лауреатов Шуваловской премии 2017 года доктором физико-математических наук Алексеем Орешко. Премию он получил за докторскую диссертацию «Анизотропные и интерференционные эффекты в резонансной дифракции синхротронного излучения».
Алексей Орешко
Чему посвящена ваша диссертация? Над какими проблемами вы работали?
Одной из основных целей научных разработок последних десятилетий является создание функциональных и полифункциональных материалов, открывающих новые возможности для развития информационных технологий, энергетики, медицины, химической и металлургической промышленности, аэрокосмических и транспортных систем. В свою очередь, создание новых материалов невозможно без знания связи между составом вещества, его атомно-кристаллической структурой и их общей функцией.
Исторически первым неразрушающим методом исследования атомно-кристаллической структуры вещества был метод рентгеновского структурного анализа, основы которого заложил более 100 лет тому назад, в 1912 году, Макс фон Лауэ.
Рентгеновское излучение — это электромагнитное излучение с длиной волны в несколько тысяч раз меньшей, чем длина волны видимого света. При этом оказывается, что длина волны рентгеновского излучения сопоставима с расстояниями между атомами вещества. При «освещении» вещества рентгеновским излучением его рассеивают атомы вещества. В определенных направлениях, обусловленных симметрией расположения атомов в веществе, эти рассеянные волны складываются, образуя дифракционные максимумы, а в остальных направлениях гасят друг друга. Таким образом, из картины рассеяния рентгеновского излучения веществом можно определить структуру самого вещества, то есть пространственное расположение атомов.
Метод рентгеноструктурного анализа получил чрезвычайно бурное развитие в ХХ веке и поставил все естествознание на прочный фундамент атомных представлений, дав ученым возможность понимать строение и свойства вещества на микроуровне. С помощью этого метода были определены кристаллические структуры минералов, расшифровываются структуры белков, исследуются полупроводниковые гетероструктуры современной микро- и наноэлектроники. А можем ли мы исследовать структуру не вещества, а структуру только одного атома вещества?
Оказывается, да — при помощи уже резонансного рассеяния рентгеновского излучения. В случае резонансного рассеяния энергия падающего рентгеновского излучения должна быть достаточной для того, чтобы выбить электрон с внутренней заполненной оболочки атома в незанятое состояние валентной зоны. Важная особенность резонансного рассеяния состоит в том, что мы исследуем только ту систему, для которой частота падающего излучения является резонансной. Для экспериментального наблюдения резонансного рассеяния необходимо использовать источники рентгеновского синхротронного излучения, сочетающие высокую яркость и возможность изменять энергию излучения в широких пределах.
Внешние валентные электронные оболочки атомов вещества искажены за счет взаимодействия с соседними атомами (ближайшим или локальным окружением), и это приводит к анизотропии резонансного рассеяния. В этом случае рассеивающая способность атома зависит не только от угла между падающим и рассеянным излучением, но также от углов между падающим, рассеянным излучением и локальной осью анизотропии.
Метод резонансного рассеяния рентгеновского излучения начал развиваться в 80-х годах XX века. Однако существующая в настоящее время теория позволяет проводить лишь качественное описание малого количества возникающих эффектов.
Моя работа посвящена устранению этого пробела и состоит в создании точных теоретических методов исследования резонансного рассеяния рентгеновского синхротронного излучения в кристаллах.
Где это может пригодиться? Может быть, в других областях физики, в других областях науки?
Это фундаментальная работа, и полученные результаты, в первую очередь, позволяют изучать искажения валентных оболочек атомов, возникающие за счет нарушения локальной симметрии резонансного атома, например за счет тепловых колебаний атомов, дефектов и статических деформаций кристаллической решетки. Помимо этого, полученные результаты имеют и прикладное значение для создания высокоэффективных рентгеновских зеркал и волноводов, для создания новых перспективных материалов для нужд опто- и наноэлектроники, спинтроники.
Вы говорите, что таким образом можно изучать свойства вещества, свойства атомов. Какие именно?
Можно исследовать влияние смещений атомов на заполнение и искажение внешних валентных электронных оболочек атомов в веществе. Изучать температурные зависимости колебаний атомов в кристаллах.
Непосредственно в моей работе развитый метод использовался для исследования плотности электронных состояний валентной зоны атомов в кристаллах германия, оксида цинка, нитрида галлия, железо-иттриевого, иттрий-алюминиевого и галлий-гадолиниевого гранатов. То есть в кристаллах, широко применяющихся в современной нано- и оптоэлектронике.
Долго ли вы работаете над этой темой и как вы ее выбрали, как к ней пришли?
Над темой диссертации я работал около десяти лет. Я работаю на кафедре физики твердого тела физического факультета МГУ. Кафедра была организована в конце 1920-х годов как первая в мире кафедра для подготовки специалистов в области рентгеновского структурного анализа. Научная работа, связанная с использованием рентгеновского излучения для исследования структуры и свойств вещества, является для сотрудников кафедры традиционной. Работы по резонансному рассеянию рентгеновского излучения на кафедре были начаты профессором Е.Н. Овчинниковой еще в начале 1990-х годов. Та работа, которую я выполнял, — это следующий шаг в развитии рентгеновских методов исследования кристаллов.
Какие у вас планы, как можно эту тему развивать, куда двигаться? Чем вы занимаетесь сейчас?
Развивая резонансное рассеяние рентгеновского излучения, мы успешно совершили переход от исследования кристаллов к исследованию отдельного атома и его окружения. Следующим чрезвычайно интересным шагом является использование разработанного метода в исследовании процессов, протекающих с течением времени. Это позволит, например, проследить, как протекают химические реакции в реальном времени, как образуются связи атомов в веществе. Вторым интересным направлением является переход от резонансного рассеяния к резонансному поглощению рентгеновского излучения. Методы резонансного рассеяния и поглощения дополняют друг друга, а их совместное использование значительно расширяет количество исследуемых явлений.
Как происходит отбор и определение лауреатов премии? Что для вас значит эта премия?
Выдвижение работ на премию имени И.И. Шувалова производится учеными советами факультетов и институтов Московского университета. Соискатели делают публичный доклад по теме своей работы. На основании представленной работы жюри предлагает, а ученый совет университета утверждает лауреатов премии.
В первую очередь, это оценка моего труда, моего вклада в дело Московского университета, моего вклада в науку.