Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова
Національної академії наук України

РАШБА Еммануїл Йосипович

(короткий біографічний нарис)

Еммануїл Йосипович Рашба народився в Києві 30 жовтня 1927 року. У 1949 р. він закінчив фізичний факультет Київського державного університету, де слухав лекції відомих професорів М.М. Боголюбова, О.С. Давидова, С.І. Пекара, К.Б. Толпиго. Наукову роботу в університеті він виконував під керівництвом О.С. Давидова та С.І. Пекара. Після закінчення університету декілька років працював інжененером та вчителем, а вільний час він присвящав теоретичному вивченню екситонів.

У 1954 E.Й. Рашба був зарахований у відділ напівпровідників, очолюваний проф. В.Є. Лашкарьовим, Інституту фізики (ІФ) Академії наук УРСР, де він тісно співпрацював з експериментаторами. Разом з К.Б. Толпиго він розвинув теорію транспорту носіїв струму у напівпровідниках. Одним з важливих їхніх результатів був опис вольт-амперних характеристик випрямляючих діодів та p-n контактів у границі великих струмів (при дисипативному транспорті струми пропорційні квадрату прикладеної напруги) [1,2].

Паралельно з цим Е.Й. Рашба продовжував вивчення екситонів [3]. У 1956 р. він під керівництвом О.С. Давидова захистив кандидатську дисертацію. Подальші дослідження теорії молекулярних екситонів були стимульовані новими експериментальними результатами, отриманими у відділі спектроскопії, очолюваному проф. А.Ф. Прихотько, в ІФ. Одним з таких результатів було відкриття зон з аномальним поглинанням, які не можна було напряму приписати екситонам, хоча водночас вони демонстрували екситон-подібну поляризаційну картину. Е.Й. Рашба зміг пояснити таку поведінку спектрів, побудувавши теорію слабко зв’язаних локалізованих екситонів, що виникають поблизу домішок. Він показав, що поляризація та інтенсивність домішкових зон містять сильні аномалії, коли вони розташовані поблизу незбурених екситонних зон [4]. Пізніше, вже в Інституті напівпровідників (ІНП) АН УРСР, створеному у 1960 р., Е.Й. Рашба вивчав схоже явище для екситонів Ваньє-Мотта. Цей ефект в спектроскопії кристалів – гігантське збільшення сили осцилятора – увійшов у фізичний вжиток під назвою ефектом Рашби. Протягом наступних років Е.Й. Рашба продовжував вивчати екситонні явища.

У 1966 р. за роботи з теорії екситонів у кристалах проф. Е.Й. Рашба отримав найвищу в СРСР нагороду – Ленінську премію (разом з Е.Ф. Гроссом, Б.П. Захарченею та А.А. Каплянським з Фізико-технічного інституту ім. А.Ф. Йоффе Санкт-Петербурга (тоді Ленінграда) та О.С. Давидовим, А.Ф. Прихотько, В.Л. Броуде, А.Ф. Лубченком і М.С. Бродиним з ІФ).

Експериментальні дослідження в ІФ були зосереджені в основному на вивченні кінетики фотопровідності гексагональних кристалів A₂B₆ типу CdS, і Е.Й. Рашба зайнявся вивченням характеристик оптичних спектрів цих кристалів. Для цього було необхідно вивчити і застосувати теорію груп. Як результат було здійснено повний симетрійний аналіз зонної електронної структури кристалів без центру інверсії з урахуванням спін-орбітальної взаємодії (СОВ) [5, 6].

Ці піонерські в усіх смислах результати заслуговують спеціального висвітлення.

До роботи Е.Й. Рашби СОВ в кристалах майже не приділялося окремої належної уваги. Була лише одна робота Дж. Дрессельхауза [7], в якій було введено гамільтоніан СОВ у формі, пропорційній кубу хвильового вектору носіїв. В роботі Е.Й. Рашби вперше було отримано та досліджено оператор СОВ, що описує її, як лінійний стосовно хвильового вектору. Цей результат дозволив передбачити новий резонанс, що виникає під дією електричного поля, яке тим самим викликає переходи між електронними станами, що характеризуються різними напрямками спінів (спін-фліп переходи) [8].

Дослідження СОВ швидко уможливило передбачення комбінованого резонансу, коли завдяки спін-орбітальному зв’язку виникає переплутування руху в реальному та спіновому просторах, що породжує новий тип переходів, зумовлених електричним вектором високочастотного поля, які супроводжуються зміною ефективного спінового моменту. Завдяки цьому інтенсивність комбінованого резонансу може істотно перевищувати парамагнітний резонанс, який збуджується лише магнітною складовою електромагнітної хвилі. Особливо сильним комбінований резонанс виявляється у кристалах без симетрії інверсії; його частоти визначаються лінійними комбінаціями частот парамагнітного та циклотронного резонансів.

Розпочаті в ІФ дослідження СОВ Е.Й. Рашба в ІНП. Так, з’ясувалося, що СОВ приводить також до появи незвичайної зонної структури квазічастинок (електронів чи дірок), коли екстремуми енергій мають місце на колі – петля екстремумів, а отже такі ізоенергетичні поверхні для малих значень ​​енергії є тороїдами. Електронні властивості відповідних напівпровідників дуже характерні, зокрема, в них значна кількість носіїв може мати від’ємну ефективну масу [9]. Були передбачені також інші явища, пов’язані із СОВ, у кристалах без центру інверсії, що стало традиційним методом вимірювання величини СОВ.

Найбільш повний огляд експериментальних та теоретичних результатів з комбінованого резонансу та близьким ефектам був зроблений Е.Й. Рашбою та М.І. Шекою в монографії “Landau Level Spectroscopy”, Ed. by G. Landwehr and E.I. Rashba (N.Y., Elsevier, 1991, p. 178). А піонерська робота Е.Й. Рашби з комбінованого резонансу в напівпровідникових кристалах була в колишньому СРСР офіційно визнана відкриттям.

Наступний крок в теорії СОВ був зроблений Е.Й. Рашбою та Ю.А. Бичковим. В роботі [10] вони узагальнили цю взаємодію на низьковимірні кристалічні системи, що стало підґрунтям для поглиблення вивчення фізики та наслідків СОВ.

Більш ніж через 30 років після її започаткування теорія СОВ Е.Й. Рашби була використана у першому експерименті зі «спіновим транзистором» [11], де було запропоновано контролювати прецесію спіну за допомогою електричного поля. Ця публікація стимулювала швидке становлення нового науково-технічного напряму – спінтроніки – фізики і техніки процесів та пристроїв, що спираються на спіновий контроль. Стало можливим розширити функціональність існуючих електронних приладів, а завдяки застосуванню додаткового ступеня вільності – спіну, розвинути принципи нових нанорозмірних напівпровідникових приладів, зокрема, для квантових обчислень. Без жодного сумніву, роботи Е.Й. Ращби в області спінтроніки знаходяться сьогодні серед найбільш цитованих у науковій літературі з фізики твердого тіла, насамперед, напівпровідників та напівпровідникових приладів.

Варто відзначити декілька розмірних ефектів, що носять ім’я Рашби. Першим можна відзначити електричний пінч-ефект в анізотропних біполярних матеріалах – контрольоване полем накопичення електронів та дірок біля однієї з поверхонь напівпровідника. Інше важливе і несподіване явище є спостережним проявом характерної складної зонної структури в електронному транспорті у надпровідниках. Зокрема, Е.Й. Рашба помітив, що під дією електричного поля явна анізотропія транспорту носіїв, які належать до різних долин у зразках багато-долинних кристалів обмеженої геометрії, полегшує їхнє (носіїв) просторове розділення [12] (багато-долинний розмірний ефект Рашби). У сильному електричному полі цей ефект обумовлює утворення просторових електричних доменів, заселених електронами переважно з однієї з долин [13, 14].

Слід відзначити, що дослідження Е.Й. Рашби особливостей електронних зонних структур у транспорті носіїв послугував поштовхом для українських дослідників, зокрема, з Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова Національної академії наук (НАН) України до вивчення СОВ, спираючись на рівняння Дірака, а не рівняння Шредингера або Паулі, що дозволило з’ясувати деякі раніше невідомі умови прояву СОВ.

У 1967 р. Е.Й. Рашба був запрошений до Інституту теоретичної фізики імені Л.Д. Ландау, де очолив сектор теорії напівпровідників. Там він продовжив свою наукову кар’єру, поєднавши її з роботою у найбільш престижних фізичних радянських журналах, де він працював з 1973 по 1988 рр. Він підтримував і нині підтримує тісні зв’язки з українськими фізиками. Його внесок у розвиток науки в Україні був високо оцінений присудженням йому у 2007 р. премії імені С.І. Пекара НАН України за видатні досягнення в галузі теорії твердого тіла. У 1987 р. він отримав престижну премію А.Ф. Йоффе АН СРСР, премію Сера Невілла Мотта (2005 р.), премію Олівера Баклі (2022 р.).

У 1991 р. Е.Й. Рашба переїхав до США, де він продовжує активно працювати як професор Гарвардського університету, будучи також почесним професором кількох інших престижних університетів США. Він є членом Американського фізичного товариства. Його науковий авторитет надзвичайний, він відзначений низкою міжнародних наукових нагород високого рівня, на його честь проводяться наукові конференції. Серед них нагорода Алана Бермана за публікації від Морської Дослідницької лабораторії Морського Флоту (Alan Berman Res. Publ. Award of Naval Res. Lab., США) у 2001 р., Симпозіум на честь Е.Й. Рашби (Бостон, 2002 р.); Семінар перcпективних досліджень НАТО (NATO Adv. Res. Workshop on Frontiers of Spintronics & Optics – 2004 р.); Симпозіум на честь Е.Й. Рашби «Frontiers of Spintronics» (Кембридж, США, 2008 р.); спеціальний випуск сбірника “Frontiers of Spintronics and Optics in Semiconductors: In Honor of E.I. Rashba” Міжнародного журналу “International Journal on Superconductivity and Magnetism”, v. 16, No. 4, (2003); Arkady Aronov Lectureships (Ізраїль, 2005) та інші.

Ім’я Рашби закарбоване у широко відомих термінах, таких як ефект Рашби – гігантське збільшення сили осцилятора квантових переходів, гамільтоніан Рашби, спін-орбітальна взаємодія Рашби, розмірні ефекти Рашби та ін., які входять до назв майже 4000 наукових робіт, причому нерідко без посилань на його оригінальні роботи. Тим не менш, за базою даних Scopus, робота [8] є найбільш цитованою, а робота [10] – другою найбільш цитованою роботами, надрукованими у відповідних журналах.

Найбільш цитовані роботи Е.Й. Рашби

1. E.I. Rashba and K.B. Tolpygo. JTF, v. 26. p. 1419 (1956).
2. E.I. Rashba and A.I. Nosar. JTF, v. 27. p. 1431 (1957).
3. E.I. Rashba. Optics and spektrosk, v. 2, p. 75 (1957).
4. E.I. Rashba. Optics and Spektrosk, v. 2, p. 568, (1957).
5. E.I. Rashba. Sov. Phys. Solid State, v. 1, p. 368 (1959).
6. E.I. Rashba and V.I. Sheka. Sov. Phys. Solid State – Collected Papers, v. II, p. 162 (1959).
7. G. Dresselhaus. Phys. Rev., v.100, p. 580 (1955).
8. E.I. Rashba. Sov. Phys. Solid State, v. 2, p. 1224 (1960).
9. I.I. Boiko and E.I. Rashba. Sov. Phys. Solid State, v. 2, p. 1692 (1960).
10. Yu.A. Bychkov and E.I. Rashba. JETP Lett., v. 39, p. 66 (1984).
11. S. Datta and B. Das. Appl. Phys. Lett., v. 56, p. 665 (1990).
12. E.I. Rashba. Sov. Phys. JETP v. 21(5), p. 954 (1965).
13. E.I. Rashba, I.I. Boyko, V.A. Kochelap, Z.S. Gribnikov, and V.A. Zhadko. Journ. Phys. Soc. Japan, v. 21, Supplement, p. 351 (1966).
14. Z.S. Gribnikov, V.A. Kochelap, and E.I. Rashba. Sov. Phys. JETP, v. 24(1), p. 178 (1966).