Герберт Крёмер: физик, спроектировавший «невозможные» устройства

В 1963 году, работая в компании Varian Associates в Пало-Альто, Герберт Крёмер (Herbert Kroemer) предложил создать лазер из сэндвич-слоев различных полупроводников. Никто не мог его построить. Необходимых технологий выращивания кристаллов не существовало, и они не появились еще много лет. Тем не менее он предложил эту идею. Шесть десятилетий спустя лазер на двойной гетероструктуре стал источником света в волоконно-оптических сетях и CD-плеерах, и, как выразился его коллега из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) Джон Бауэрс (John Bowers), это устройство «сделало возможным Интернет, изменив мир».

От Веймара до Гёттингена

Он родился 25 августа 1928 года в Веймаре в семье, далекой от академических традиций: отец был госслужащим, мать — домохозяйкой, и никто из них не окончил среднюю школу. Германия рухнула во время его юности, и он вышел из этого хаоса в физику. В Гёттингенском университете он получил диплом в 1951 году и докторскую степень по теоретической физике в 1952 году, написав диссертацию о влиянии горячих электронов в транзисторах — теме, которой было всего пять лет, когда он ее выбрал, так как сам транзистор был представлен лишь в 1947 году. Это был первый признак привычки, сохранившейся на всю жизнь: привязываться к технологиям до того, как они станут общепринятыми.

Беспокойное десятилетие в индустрии

Двадцати- и тридцатилетие Крёмера прошло в перемещениях между промышленными лабораториями на двух континентах — паттерн, который кажется хаотичным, пока не замечаешь, что он продолжал работать над одной и той же идеей. Он начал в 1952 году в лаборатории телекоммуникационных исследований немецкой почтовой службы в Дармштадте. В середине 1950-х он перешел в лаборатории RCA в Принстоне, Нью-Джерси. С 1957 по 1959 год он работал в исследовательской лаборатории Philips в Гамбурге. В 1959 году он переехал в Varian Associates в Пало-Альто и оставался там все десятилетие, в течение которого создал свои самые значимые работы.

Попутно он изобрел дрейфовый транзистор — устройство, использующее профиль градиентной примеси для перемещения носителей через базу быстрее, чем это позволяла простая диффузия. Это было начало идеи, которую он развивал всю свою карьеру: можно спроектировать внутренний ландшафт полупроводника так, чтобы электроны вели себя способами, не предусмотренными природой.

Транзистор, которому нужны были два материала

В RCA Крёмер разработал концепцию гетеропереходного биполярного транзистора. Обычные полупроводниковые устройства строятся из одного материала — кремния, легированного по-разному в разных областях. Предложение Крёмера заключалось в соединении двух разных полупроводников, чтобы резкое изменение ширины запрещенной зоны на границе раздела само по себе действовало как сила на носители, создавая квазиэлектрическое поле без необходимости во внешнем напряжении. В середине 1950-х он определил конкретные преимущества в производительности, которые это даст. Аргумент был теоретически чистым, но практически преждевременным; материаловедение, необходимое для создания атомарно резких переходов между разнородными кристаллами, отставало на десятилетия.

Лазер, который никто не мог построить

Предложение 1963 года о двойной гетероструктуре было применением той же логики к свету. Крёмер утверждал, что если ограничить носители и фотоны в тонком активном слое между двумя слоями оболочки с более широкой запрещенной зоной, получится лазер, способный работать непрерывно при комнатной температуре, а не в режиме криогенных импульсов. Это был принцип проектирования, который сделал полупроводниковый лазер полезным объектом, а не лабораторной диковинкой. Жорес Алфёров (Zhores Alferov), работавший независимо в Ленинграде, исследовал ту же область; в 2000 году они разделили Нобелевскую премию по физике «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной и оптоэлектронике».

В 1964 году Крёмер опубликовал первое правильное объяснение эффекта Ганна (Gunn effect) — механизма, лежащего в основе высокочастотных электрических колебаний в некоторых полупроводниках. Это был еще один случай, когда он пришел к физическому пониманию раньше, чем научное сообщество пришло к консенсусу по вопросу.

Санта-Барбара и ставка на соединения

Он начал академическую карьеру в 1968 году в качестве профессора электротехники в Колорадском университете в Боулдере, а в 1976 году перешел в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB), где занял кафедру электротехники Дональда У. Уиттиера (Donald W. Whittier) с совместным назначением на факультете материаловедения. Там он сделал институциональную ставку, столь же контрарную, как и его научные: он убедил факультет инвестировать в сложные полупроводники — арсенид галлия и его производные — вместо кремния, который доминировал во всем. Он стал первым членом группы, которая впоследствии стала ведущей в мире. Позже он занялся экспериментами, внедрив в UCSB молекулярно-лучевую эпитаксию и применив ее к системам материалов, которые никто не пробовал, наконец создав атомарно точные интерфейсы, предполагавшиеся его теорией 1950-х годов. Он вышел на пенсию в 2012 году.

Учитель, автор учебников, джентльмен

Крёмер написал два учебника необычайной ясности: «Теплофизика» (Thermal Physics), второе издание которой он выпустил с Чарльзом Киттелем (Charles Kittel) в 1980 году, и «Квантовая механика для инженерии, материаловедения и прикладной физики» (Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics). Коллеги вспоминали человека с острым чувством юмора, который мог обсуждать физику с посетителем из начальной школы так же легко, как с аспирантом, и который задавал сложные вопросы на семинарах, никогда не заставляя ответ звучать как приговор. Декан Умеш Мишра (Umesh Mishra) сравнивал его с гуру в индийском смысле — человеком, который передает «мораль, этику, лидерство, любезность и щедрость» вместе с техническим содержанием. Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) приписывал концепции гетероструктур Крёмера возможность своего изобретения синего светодиода. Крёмер стал натурализованным гражданином США в 2003 году и был прямолинейным атеистом: религия, говорил он, — это «просто принятие желаемого за действительное».

Почему Герберта называют гением

Отличительной чертой здесь является прогностическая физика устройств: способность правильно рассуждать о поведении структуры, которую еще нельзя изготовить, и доверять этому рассуждению двадцать лет, пока все остальные ждут доказательств. Крёмер сам описывал этот склад ума без ложной скромности и без претензий на гениальность: «С самого начала меня всегда интересовали вещи, которые на несколько поколений опережали то, что люди могли сделать. Маленькие шаги меня не интересовали. Меня интересовали большие шаги». Его совет младшим коллегам вытекал из этого — работайте над тем, что вас интересует, игнорируйте приложения, будьте оппортунистами.

Записи на самом деле подтверждают наличие суждения, а не просто сырой вычислительной мощности. Трижды — гетеропереходный транзистор, лазер на двойной гетероструктуре, эффект Ганна — он определял правильный физический принцип за годы до того, как это делали сообщество и технологии. Это редкий показатель попаданий, и именно поэтому Нобелевский комитет, жюри медали почета IEEE в 2002 году и немецкое государство с его Большим крестом ордена «За заслуги» в конечном итоге согласились.

Контраргумент честен и заслуживает упоминания. Крёмер не построил лазер, которым прославился; группа Алфёрова и промышленные лаборатории выполнили выращивание кристаллов, которое сделало его реальным, и Алфёров разделил премию по веской причине. Идеи, которые нельзя проверить в течение двух десятилетий, дешевы в генерации и дороги в проверке, и послужной список Крёмера включает предложения, которые имели значение только потому, что у других хватило терпения их реализовать. Коллеги чаще называли его «джентльменом» и «гуру», чем «гением». Справедливый вердикт заключается в том, что он обладал необычайно надежной физической интуицией и смелостью публиковать ее заранее.

Наследие

Каждая волоконно-оптическая линия, усилитель мощности мобильного телефона, спутниковый передатчик и светодиодная лампа работают на принципе, который Крёмер отстаивал, когда никто не мог его реализовать: что проектирование ландшафта запрещенной зоны внутри устройства мощнее, чем проектирование устройства вокруг одного материала. Он скончался 8 марта 2024 года в Санта-Барбаре в возрасте 95 лет, прожив достаточно долго, чтобы увидеть мир, построенный на его «сэндвичах».