История промышленного применения нанослоистых структур началась в 1938 году, когда Кэтрин Блоджетт, талантливая соратница Ирвинга Ленгмюра, придумала и реализовала способ осаждения многослойных тонких и моноатомных пленок на твердые подложки. Так появилась «просветляющая» оптика, без которой сегодня немыслимо оптическое оборудование.Очевидные конкурентные преимущества, которые давали многослойные покрытия, привели к «взрывному» развитию технологий тонких слоёв и созданию соответствующего производственного оборудования. Технология оптических покрытий перешла к использованию металл-диэлектрических слоистых систем и термовакуумного оборудования для их получения.

Это позволило Ричарду Фейнману  в 1959 году в своей известной речи сказать, что технология тонких пленок – одна из немногих технологий «наномира», которую уже успешно осваивает человечество. На сегодняшний день индустрия многослойной оптики имеет годовой оборот сотни миллиардов долларов, оптические покрытия работают в диапазоне от теплового излучения до вакуумного ультрафиолета и находят повсеместное применение.

Прогресс в развитии термовакуумного оборудования для производства тонких многослойных пленок обеспечил другой качественный технологический скачок – производство гетероструктур. Человечество научилось моделировать и при помощи технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) создавать вещества с заданными зонными свойствами. Теперь сотовый телефон можно положить в карман, маленький светодиодный фонарик излучает в ультрафиолете и на наших глазах происходит повсеместное вытеснение неэффективных ламп источниками на светодиодах.

С 70х годов прошлого века стало широко внедряться в промышленность вакуумное ионно-плазменное оборудование, позволяющее активно воздействовать на процесс формирования пленки и управлять её свойствами в процессе роста. Стало возможным создавать многослойные структуры, состоящие из тонких (толщиной в несколько атомов) однородных сплошных слоев разнородных материалов – искусственно-модулированные структуры. Открытый в 1989 году эффект гигантского магнитосопротивления в таких структурах привел к резкому увеличению плотности магнитной записи в последнее десятилетие – объем компьютерных дисков увеличился на несколько порядков, до терабайт.

В этой лекции я рассмотрю исторический аспект развития технологий производства многослойных структур на основе тонких пленок и моноатомных слоев. Будут приведены основные принципы получения многослойных пленок термовакуумным испарением, молекулярной-лучевой эпитаксией, ионно-плазменными методами, также будут обсуждаться свойства получаемых многослойных наноструктур.

Возможность наблюдать мельчайшие детали движения отдельных частиц открывает огромные перспективы для экспериментального изучения сильно-коррелированных систем. Такая возможность должна привести к лучшему пониманию фундаментальных процессов, управляющих фазовыми переходами, принципов, определяющих равновесие и самоорганизацию в жидкостях и твердых телах, условий, при которых происходит возникновение коллективных явлений и т.д.

Сила земного притяжения столь велика, что микрочастицы, помещенные в плазму, оказываются очень сильно сжаты в вертикальном направлении. Поэтому на Земле возможно создание только тонких горизонтальных слоев частиц, и, следовательно, в наземных экспериментах в основном изучаются двумерные системы (монослои). Однако, в отсутствии силы тяжести микрочастицы могут занимать весь плазменный объем, и тогда возникает возможность создания изотропных, однородных трехмерных систем. Очевидно, что условия невесомости идеально подходят для изучения процессов, происходящих в подобных системах.

Долговременные исследования комплексной плазмы в условиях невесомости, на борту Международной Космической Станции (МКС), начались 11 лет назад в рамках совместного российско-немецкого проекта. В 2001-2005 годах, первой лабораторией комплексной плазмы на борту МКС была установка «Плазменный Кристалл»  («ПК-Нефедов», названная в честь российского руководителя проекта, умершего незадолго до начала работы лаборатории). Установка следующего поколения «ПК-3 Плюс», построенная по тому же принципу, что и «ПК-Нефедов» и запущенная в 2005 году, отличалась существенными улучшениями в конструкции, возможностях манипуляции частицами, и плазменной диагностике.

Лаборатории «Плазменный Кристалл» на борту МКС за последние 11 лет. Российский космонавт Сергей Крикалев (слева) выполнял эксперименты на установке «ПК-Нефедов» в 2001 и 2006 годах, астронавт Европейского Космического Агентства Томас Райтер (справа) работал с установкой «ПК-3 Плюс» во время своего полета в 2006 году.

Конкретная форма межчастичного взаимодействия обычно не оказывает сильного влияния на качественные особенности многих универсальных процессов, происходящих в сильно-коррелированных системах. Однако, существуют очень интересные новые эффекты, возникающие когда взаимодействие становится анизотропным или характеризуется несколькими пространственными масштабами. Поэтому, создание систем с заданным типом взаимодействия между частицами можно рассматривать как задачу первостепенной важности – и это можно осуществить в комплексной плазме. Недавно были успешно проведены предварительные эксперименты по управлению межчастичным взаимодействием в заданном направлении, что обеспечило важный задел для будущих исследований на МКС. Сейчас мы занимаемся разработкой новой лаборатории «ПлазмаЛэб», где появится возможность управлять взаимодействием во трех направлениях. Это позволит создавать и изучать множество новых типов анизотропных жидкостей и твердых тел – исследования, которые могут быть выполнены только в условиях невесомости.

 В этой лекции я сделаю короткий обзор исследований комплексной плазмы на МКС и расскажу о различных экспериментах, проведенных в условиях невесомости, уделяя при этом особое внимание замечательной взаимодополняемости наземных и космических исследований.

Комплексная плазма весьма популярна у экспериментаторов, поскольку во многих случаях можно наблюдать предмет исследования буквально невооруженным глазом. Например, постоянная решетки типичного двумерного плазменного кристалла (с диаметром около 5 см) составляет примерно 0,5 мм. Это позволяет достаточно легко записывать процессы, происходящие в таких системах, на обычную видеокамеру, и отслеживать положение отдельных частиц в каждом кадре. Знание координат частиц как функций времени обеспечивает полное кинетическое описание плазменного кристалла. Благодаря этому, появляется возможность определения любых характеристик системы из первых принципов, и их сравнения с существующими теориями.

 В данный момент, существует множество направлений, в которых ведутся исследования комплексной плазмы. В своей лекции, я сконцентрируюсь на следующих интересных темах:

Динамика атомов в жидкостях. Комплексная плазма широко используется в качестве модельной системы для изучения жидкостей на уровне отдельных «атомов». Было проведено много экспериментов по измерению коэффициентов вязкости, теплопроводности, и диффузии. Тем не менее, на несколько фундаментальных вопросов до сих пор не было получено ясного ответа. В качестве примеров можно назвать реологические свойства жидкостей (зависимость вязкости от скорость сдвига), пределы применимости гидродинамики на малых масштабах, температурная зависимость теплопроводности вблизи линии плавления, теплопроводность двумерных систем в термодинамическом пределе. Еще одной интересной темой являются микроскопическая динамика переохлажденных жидкостей.

 Линейные и нелинейные волны. Линейные свойства новых типов волн, возникающих в комплексной плазме благодаря присутствию заряженных микрочастиц, вполне хорошо исследованы. Однако, экспериментальное изучение нелинейных свойств, а также взаимодействия волна-частица (затухание Ландау) только начинается.

 Использование микрочастиц для визуализации плазменных течений. Это еще одно интересное направление, где применяются вращающиеся электрические поля (аналогично методу «вращающихся стенок», используемому в ионных кристаллах). Данное явление определяется интересной и достаточно сложной комбинацией различных физических процессов.

Множество фундаментальных проблем классической физики конденсированного состояния, таких как микроскопические процессы, управляющие кристаллизацией и разделением фаз, структурой жидкостей и возникновением стекольных состояний и т.д. могут изучаться с использованием модельных систем, состоящих из большого количества отдельных частиц – «атомов». Взаимодействие между «атомами» определяется свойствами среды, в которой находятся частицы, а также внешними параметрами. Комплексная плазма, которая представляет собой плазменное состояние «мягкой материи», является одним из наиболее известных примеров таких модельных систем.

Что же делает комплексную плазму столь привлекательной для междисциплинарных исследований? Ответ достаточно прост: Масштабы времени, характеризующие динамику отдельных микрочастиц в комплексной плазме (например, обратная частота Эйнштейна) имеют порядок десятков миллисекунд, и при этом размер частиц достаточно велик для обеспечения их визуализации. Таким образом, траектории отдельных частиц могут быть записаны на обычную видеокамеру, что позволяет реконструировать их кинетику в мельчайших деталях. Далее, характерная скорость обмена импульсом/энергией при взаимодействии микрочастиц друг с другом может намного превосходить скорость затухания, вызванного трением об окружающий газ. Поэтому, движение частиц в сильно коррелированных системах практически бездиссипативно, что обуславливает прямую аналогию с обычной жидкостью или твердым телом с точки зрения динамики отдельных «атомов». Кроме того, формой парного взаимодействия между частицами можно управлять, меняя внешние параметры пылевой плазмы, которая, в свою очередь, является оптически-прозрачной системой. Последнее свойство позволяет легко обеспечить визуализацию больших трехмерных систем, состоящих из тысяч слоев частиц. Наконец, существует большое количество различных способов манипуляции отдельными частицами. Все вместе, это дает возможность проводить активные управляемые эксперименты  по исследованию фундаментальных процессов  происходящих в жидкостях и твердых телах на уровне отдельных частиц.

Фронт гетерогенной кристаллизации, распространяющийся в комплексной плазме. «Кристаллические» частицы имеют преимущественно красную окраску, а жидкие частицы выглядят многоцветными.	Течение жидкой комплексной плазмы вокруг препятствия. (а) Система приблизительно симметрична по отношению к вертикальной оси (экспозиция около 1 сек). Видны стационарные вихри в следе (1,2), граница между ламинарным течением и следом становится неустойчивой – возникает пограничный слой, толщина которого растет вдоль течения. (б) Область слоя (экспозиция около 0,05 сек). Точки (линии) соответствуют медленно- (быстро-) движущемся микрочастицам.

Благодаря этим свойствам, междисциплинарные исследования комплексной плазмы дают уникальную возможность изучать любые универсальные динамические и структурные процессы происходящие в классических системах на уровне отдельных частиц (как показано на рисунках), охватывая весь диапазон неравновесных и равновесных процессов.

В этой лекции я расскажу о некоторых недавних исследованиях, направленных на изучение фундаментальных универсальных процессов происходящих в комплексной плазме, а также планирую обсудить некоторые актуальные проблемы междисциплинарной науки.

Дуговой разряд исследуется уже более 200 лет и до сих пор он остается самым загадочным электрическим разрядом. Для него характерны огромные плотности тока, высокая яркость свечения. Это определило использование дугового разряда для сварки и плавки металлов, а также в качестве мощного источника света. Для нанесения тонких пленок используется разновидность этого разряда – вакуумный дуговой разряд с интегрально холодным катодом. Разряд используется в вакуумно-дуговых испарителях  для формирования потока металлической плазмы, из которого осаждались различные металлические и керамические покрытия. Плазма, получаемая в вакуумно-дуговом разряде, состоит из атомов материала катода и практически полностью ионизована, что определяет специфические процессы конденсации вещества из ионной фазы. Работы по физике и технике вакуумной дуги стимулируются возможностью ее использования для формирования покрытий различного назначения.

 Метод вакуумно-дугового испарения основан на эрозии материала катода из катодного пятна и позволяет получать защитно-декоративные, коррозионно-стойкие, износостойкие и жаростойкие  покрытия, в том числе наноструктурированые износостойкие покрытия на инструмент и жаростойкие покрытия на лопатки авиационных турбин. Относительная простота и дешевизна метода вакуумно-дугового испарения стимулировали перенос этой технологии на обработку деталей более крупного размера (например, листовые материалы такие как: стекло, пластик, металл). Вакуумно-дуговые испарители используются как источники геттерного материала в высоковакуумных электроразрядных насосах. Перспективным является применение вакуумно-дугового разряда для синтеза нано- и микропорошков.

В настоящее время накоплены большие знания в физике горения вакуумной дуги, однако, до последнего времени, остаются неясными многие явления в этом разряде. Для этого вида дуги характерно необычное поведение столба разряда при взаимодействии с магнитным полем,  не объясненное до сих пор. Также нет ясного понимания  эмиссионных и эрозионных процессов на катоде. Все это не служило препятствием для использования этого разряда в ионно-плазменной технологии. Было накоплено много эмпирических знаний о поведении дуги в условиях вакуума. Разработчики научились виртуозно управлять движением катодного пятна по поверхности катода, регулировать состав продуктов эрозии катода и управлять процессами конденсации покрытий на поверхности обрабатываемых деталей.

 Успехи в изучении физики вакуумно-дугового разряда и технологии вакуумно-дугового испарения открывают перед нами огромные перспективы в развитии технологии машиностроения, микроэлектроники и нанотехнологии. В своей лекции я рассмотрю особенности вакуумно-дугового разряда и его применение в вакуумно-дуговых испарителях для современной ионно-плазменной технологии.

«Пылевая» или «комплексная» плазма состоит из слабоионизированного газа и заряженных микрочастиц. Пылевая плазма повсеместно распространена в космосе – заряженная пыль присутствует в планетарных кольцах, в хвостах комет и межзвездных облаках, в мезосфере и грозовых облаках, ее можно обнаружить в окрестности искусственных спутников. Наличие пыли является критическим фактором во многих важных промышленных процессах (в плазменном напылении, производстве микросхем и т.д., где образование и рост пыли происходит естественным образом) а также в термоядерном синтезе (где появление радиоактивной и токсичной пыли из-за взаимодействия плазмы со стенками реактора является серьезной конструкторской проблемой). Вместе с тем, плазма, содержащая микрочастицы, которые можно наблюдать, активно исследуется во многих лабораториях (и термин «комплексная плазма» используется для того, чтобы отличать подобные системы от пылевой плазмы существующей в естественных условиях). После почти ста лет исследований – первые наблюдения пылевой плазмы, произведенные Ленгмюром датируются 1924 годом – нынешний интерес к комплексной плазме возник в середине девяностых, после экспериментального открытия плазменных кристаллов.

Наличие заряженных микрочастиц играет существенную роль в коллективных процессах происходящих в комплексной плазме – возникают новые низкочастотные типы волн, соответствующие колебаниям микрочастиц на фоне квазиравновесных электронов и ионов, с характерными частотами в диапазоне 1-100 Гц. Однако, заряженные микрочастицы не только меняют зарядовый состав плазмы, но также приводят к появлению новых физических процессов в рассматриваемой системе, например – эффектов связанных с диссипацией и рекомбинацией плазмы на поверхности частиц, вариацией пылевого заряда, и т.д. Эти процессы обуславливают механизмы притока энергии в систему микрочастиц. По этой причине, свойства комплексной плазмы могут быть совершенно отличными от свойств обычной многокомпонентной плазмы.

Поскольку микрочастицы имеют очень большие заряды (обычно, порядка нескольких тысяч электронных зарядов для частиц микронного размера), электростатическая энергия их взаимодействия необычайно велика. Поэтому, в комплексной плазме можно наблюдать переход между газообразной и жидкой фазами, и формирование упорядоченных структур – плазменных кристаллов, как показано на рисунке. При этом, формой потенциала межчастичного взаимодействия можно управлять (контролируя внешние условия). Эти уникальные особенности выделяют комплексную плазму на фоне многих других типов плазмы, в которых ионные заряды малы, взаимодействие фиксировано, а его энергия относительно низка.

Газообразное (слева), жидкое (в середине), и кристаллическое (справа) состояние пылевой плазмы.

Сейчас, физика комплексной плазмы – это быстро развивающаяся область исследований, включающая в себя различные фундаментальные аспекты физики плазмы, классической физики жидкости и твердого тела, нелинейной физики, и т.д. Все больше научных групп начинают заниматься этими исследованиями, и количество научных публикаций растет экспоненциально. В этой лекции, я попытаюсь представить сбалансированную картину нынешнего состояния области, обсуждая некоторые наиболее важные экспериментальные и теоретические результаты, и расскажу о перспективах дальнейшего развития.