Очень часто технологии, переворачивающие мир, рождаются в тишине лабораторий. Мир узнаёт о них не сразу, так как их путь - от теории и экспериментов к применению в повседневной жизни - иногда непрост и долог. Об одной из таких технологий мы поговорим сегодня с профессором Олегом Петровичем Толбановым, доктором физико-математических наук, директором Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ.
Олег Петрович с коллегами занимается физикой полупроводников и полупроводниковыми материалами сложного состава, пытаясь с помощью легирования (введения в состав одного материала тех или иных примесей) модифицировать их свойства, чтобы использовать при создании приборов нового типа. Таким прибором является и сенсор на основе высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом, потенциально способный произвести революцию в рентгенографии.
- Олег Петрович, в чем заключается принципиальная новизна в технологии рентгенографического исследования с использованием ваших сенсоров?
- Сейчас рынок рентгеновской аппаратуры абсолютно олигополистичен: есть большое количество потребителей и всего несколько мощных игроков на нём. Например, “General Electrics”, 
“Toshiba”, “Philips”, “Siemens”, делящие между собой больше 90% производства рентгеновского оборудования. Причем речь идёт об аппаратуре, созданной на основе технологий 20-30-летней давности. За это время сцинтилляторы заменили рентгенографические плёнки, но принцип их работы остался прежний: сцинтиллятор считывает кванты, превращая их в световое излучение, которое далее фотоприёмниками преобразовывается в импульс электрического тока. Для того, чтобы получить рентгеновский снимок, нужно всю считываемую сенсорами информацию преобразовывать в импульсы электрического тока. Попытки увеличить КПД этого процесса предпринимались разными производителями многократно, но на сегодня в мире его порог – 22%. Иными словами, снимок остаётся чёрно-белым, хотя и более чётким, чем раньше.
Наши сенсоры для рентгеновских аппаратов принципиально отличаются тем, что они считывают каждый квант и моментально преобразовывают его в заряд, создающий импульс тока. Не нужно двойное преобразование – из кванта в световое излучение и потом уже в импульс тока. Кроме того, такая технология позволяет оценить энергию каждого кванта, которая отображается на снимке определённым цветом. Рентгенографический аппарат с детекторами на основе таких сенсоров работает как современный фотоаппарат, передавая изображение в цвете. При этом на одном снимке можно просматривать все виды тканей: кости, органы и кровеносные сосуды, так как они поглощают рентгеновское излучение разного уровня энергии.
Но и это ещё не всё! Наши коллеги-медики предполагают, что рентгеновское исследование на аппаратах с нашими детекторами может заметить ПЭТ-томографию, требующую введения контрастного вещества. Распределив передаваемую энергию на 6-8 диапазонов, можно просматривать фазовый состав тканей, видеть, чем они насыщены – углеродом, кислородом и т.д.
Все эти преимущества обеспечиваются материалом, который мы создали - высокорезистивным арсенидом галлия, компенсированным хромом.
- А как вы получили этот материал?
- Мы взяли один атом хрома и внедрили его в матрицу арсенида галлия, в строго определённое место, в соотношении один к десяти миллионам атомов матрицы. Казалось бы, один атом – это ничто, но способность изменённого арсенида галлия проводить электрический ток снижается в 10 миллиардов раз! Был проводник, а стал почти изолятор, обладающий очень высоким сопротивлением и способный тонко чувствовать любые внешние воздействия. На основе этого материала создаётся сенсор для рентгеновской установки, способный с предельной точностью улавливать квантовое излучение и преобразовывать его в цветное изображение.
- Существует гипотеза «множественного открытия», основанная на предположении, что большинство научных исследований и изобретений происходит более или менее одновременно в разных научных коллективах, порой в разных частях света. Противоположная ей «героическая теория» изобретений и открытий оставляет ведущую роль за индивидуумами. В вашем случае вы - «герои» или в мире есть учёные, которые тоже пришли к подобным результатам?
- Ответ будет развёрнутым. Вся современная электроника построена на легированных полупроводниках. Но сейчас используется легирование мелкими примесями, которые ионизованы при комнатной температуре. Сколько примесей добавили в материал, столько избыточных электронов получили на выходе. Они определяют уровень протекающего тока, то есть, проводимость материала. Соответственно, один такой элемент выполняет определённую узкую задачу. А дальше из нескольких элементов выстраивается схема какого-либо технического устройства, например, компьютерная.
Лет 30 назад, в последние годы существования Советского Союза, мы занялись легированием глубокими примесями. Такие примеси не ионизованы. Представьте себе один единственный атом, помещённый в кристалл (полупроводник), в котором всё упорядочено и каждая ячейка воспринимает этот атом как инородное тело. Такое вынужденное «соседство» так меняет структуру полупроводника, что материал приобретает, так называемые, функциональные свойства. Один кристалл с такими свойствами может заменить несколько элементов и выполнять функцию целой схемы самостоятельно!
Результаты нашей работы, а именно снижение проводимости в 10 миллиардов раз за счёт внедрения одного атома, представлены физической моделью и работой сенсоров. Однако экспериментальное доказательство этой физической модели чрезвычайно сложно и до сих пор эта физическая модель не получила всеобщего признания. Причина этому – мышление, основанное на традициях тридцатилетней давности. Позволю себе смелое утверждение: за последние 30-40 лет никаких принципиально новых открытий в физике сделано не было. Появляются новые технологические решения, основанные на «старых» открытиях, например, переход на нанослои. Тем не менее, новая кремниевая электроника по-прежнему собирается из элементов схем – только в невероятно малых масштабах.
Возвращаясь к вопросу о подобных исследованиях в мире: похожих результатов по созданию функциональных элементов – кристаллов со свойствами целой схемы – у наших коллег на сегодняшний день нет.
- Существует ли ещё какая-то область применения подобных детекторов, кроме рентгенографических исследований?
- Наши детекторы с 2017 года работают в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. В чём суть этой высокотехнологичной установки? В ней сталкиваются частицы, протоны с сумасшедшей 
энергией по 8 ТэВ. При этом протоны не являются элементарными частицами, они состоят из кварков. Поэтому при столкновении возникает порядка 200 вторичных короткоживущих частиц, создающих шумы. И среди всего этого нужно зафиксировать присутствие той самой «частицы Бога» - бозона Хиггса.
Сейчас строится новый, линейный коллайдер, в котором будут сталкиваться элементарные частицы - электрон и позитрон. Снизив уровень шума на несколько порядков, можно будет уже в чистом виде получить бозон Хиггса и исследовать его свойства гораздо эффективнее. Наши детекторы помогут «увидеть частицу Бога», в том числе, благодаря тому, что они могут работать при высоком уровне радиации, возникающем при столкновении элементарных частиц высокой интенсивности.
Ещё одна важная проблема, решением которой занимается сегодня физика, - невозможность зафиксировать значительную часть материи, окружающей нас. Дело в том, что появляется всё больше и больше результатов экспериментов, не укладывающихся в контекст теории супер-симметрии. В частности, она не может объяснить понятия тёмной материи и тёмной энергии, из которых на 96% состоит Вселенная. Иными словами, мы наблюдаем только 4% материи, остальное пока находится за рамками понимания и даже представления человека. Это – перспектива для использования наших детекторов.
- Что должно произойти, чтобы ваши детекторы попали в производство и стали частью современного рентгенографического оборудования?
- Нужна команда единомышленников, которая поверит мне как лидеру, и будет готова и способна продавать этот продукт. Нужно организовать производство, и я знаю, как это сделать. Но необходимы инвестиции в районе 2,5 миллиардов рублей и профессиональная подготовка 60 человек. Я готов осуществлять авторский надзор и предоставить специалистов своей лаборатории для организации производственных процессов. При этом гарантирую, что готовый продукт будет дешевле зарубежных аналогов, а качество выше. По целому ряду причин такое сотрудничество пока не выстраивается с госкорпорациями. Но если найдётся частный инвестор, то всё может получиться.
Хотя, тут мы сталкиваемся с ещё одной фундаментальной проблемой: в России нет рынка наукоемкой продукции и вообще рынка, как такового. У нас большинство предприятий держатся на госзаказах, без которых они были бы нежизнеспособны. Директора и владельцы бизнеса очень часто не понимают, как продавать свой продукт.
Российские учёные, в свою очередь, зачастую видят окончание своей работы в публикации научной статьи. На самом деле, в современных условиях этого абсолютно недостаточно. Полвека назад жизненный цикл технологий был около 75 лет. Сегодня этот цикл сократился до 7-8 лет. В этих условиях нужно менять сознание и понимать важность быстрой конвертации новых знаний в технологии. На смену привычной схеме «деньги превращаются в новые знания» должна прийти схема «новые знания превращаются в деньги». Целью научной деятельности должно стать создание продукта (прототипа) и его коммерциализация. А традиции последней, увы, прервались сто лет назад. Я умею создавать продукт, но для этого мне пришлось 15-20 лет назад переформатировать собственное сознание, а это - чрезвычайно сложный труд.
Наша технология HR (High Resistivity) – это бренд Томского государственного университета, который известен специалистам во всём мире. Его знают в CERN, знают в Стэнфорде, в Резерфордовской лаборатории и так далее. Но недостаточно только создать технологию, нужно поддерживать успех, доказывать свою состоятельность сегодня, завтра и всегда. Только тогда можно гордиться своей наукой, страной и собственными достижениями.