История МР
В современной физике термином "магнитный резонанс" называют совокупность явлений, возникающих при взаимодействии магнитных моментов ядер и электронов с магнитными статическими, переменными и флуктуирующими полями, которые или прилагаются извне, или могут возникать внутри вещества. Изменения ориентации магнитных моментов ядер или электронов в статическом магнитном поле сопровождаются излучением или поглощением квантов электромагнитного поля, соответствующего радиочастотному диапазону. Поэтому исследования в области магнитного резонанса принято относить к специальному разделу науки: "Квантовая радиофизика". Квантовая радиофизика как область науки сформировалась к началу 1960-х годов. Данный раздел физики изучает явления, сопровождающиеся излучением или поглощением электромагнитных волн радиочастотного диапазона квантовыми системами (ядрами, электронами, атомами, молекулами и т.п.). Эти явления, физическая сущность которых представляет самостоятельный интерес, легли в основу радиоспектроскопических методов изучения строения вещества и происходящих в нем физико-химических процессов. Они используются также для создания квантовых генераторов, усилителей и магнитометров.
Впервые избирательное поглощение радиоволн, обусловленное магнитными свойствами электронных оболочек, наблюдал в 1913 г. профессор Московского университета В.К.Аркадьев. В 1934 г. К.Клитон и Н.Вильямс получили в диапазоне радиочастот инверсионные спектры газообразного аммиака. В 1938 г. в опытах на атомных пучках И.Раби впервые зарегистрировал спектры ядерного магнитного резонанса. Этим методом с высокой степенью точности были определены магнитные моменты многих ядер. Особенно интенсивно радиоспектроскопия начала развиваться после того, как в 1944 г. Е.К.Завойский открыл явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в 1946 г. две группы американских ученых, возглавляемые Ф.Блохом и Е.М.Перселлом, опубликовали сообщения о наблюдении ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах и в 1950 г. Г.Демельт и Г.Крюгер получили спектры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). В настоящее время в радиоспектроскопии используются новейшие научно-технические достижения, в том числе современные средства вычислительной и криогенной техники. Разработанные на основе этих достижений приборы обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Например, методом ЯМР регистрируются квантовые переходы с энергией 10-31 - 10-32 Дж и разрешаются две соседние спектральные линии, отстоящие друг от друга менее чем на 0,1 Гц. Таким образом, радиоспектроскопия позволяет исследовать процессы, обусловленные тончайшими изменениями электронной структуры атомов и молекул. Методы квантовой радиофизики используются также для изучения скорости и характера молекулярного движения в самых различных его проявлениях (диффузия, молекулярный обмен и др.). Они широко используются в молекулярной физике, химии, биологии, медицине и других науках. В последние годы методы квантовой радиофизики находят все большее применение в технике и промышленности, а также для изучения, контроля и управления технологическими процессами (в нашей стране ЯМР используется при каротаже нефтяных скважин, лабораторном анализе продуктивности нефтеносных коллекторов, анализе масличности и влажности семян; разработаны аппаратура и методика ЭПР для геологических исследований, неразрушающего контроля драгоценных камней и т.п.).
Важный шаг в развитии квантовой радиофизики связан с выходом в 1954 - 1955 гг. статей американских (Дж.Гордон, Г.Цайгер, Ч.Таунс) и советских (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров) физиков, создавших независимо друг от друга первые квантовые генераторы на пучке молекул аммиака. Обе группы физиков отмечали, что первоначальной целью их работы было создание радиоспектроскопов высокой разрешающей силы на основе индуцированного излучения, но несомненно гораздо большее влияние на развитие квантовой радиофизики оказал "побочный эффект", связанный с переводом прибора в осциллирующий режим, т.е. с превращением его в квантовый генератор. Квантовые генераторы, созданные на пучках атомов и молекул, сразу же привлекли внимание ученых своими уникальными свойствами: уже первые приборы обеспечивали относительную нестабильность генерируемой частоты порядка 10-8, а вскоре были достигнуты показатели 10-12 - 10-13. В настоящее время генератор на пучке атомов водорода характеризуется нестабильностью ±2•10-14 за сутки и воспроизводимостью частоты ±5•10-13. Высокая стабильность частоты квантовых генераторов определила применение их в качестве устройств хранения точного времени - эталонов времени и частоты. Межведомственной комиссией единой службы времени СССР было принято решение о переходе с 1 января 1972 года на новую систему Всемирного координированного времени, в основу которой положен "атомный масштаб времени".
Почти одновременно с квантовыми генераторами были созданы и квантовые усилители, основным достоинством которых является крайне низкий уровень собственных шумов. Наиболее перспективными из них оказались приборы, построенные на основе ЭПР в твердых телах. В 1956 г. Н.Бломберген показал, что на основе ЭПР в системах с несколькими энергетическими уровнями можно создать квантовый усилитель непрерывного действия, если использовать вспомогательное излучение для поляризации электронных спинов. Квантовые усилители oткрыли новые возможности в целом ряде областей науки и техники: с их помощью была осуществлена первая в истории передача телевизионного изображения из Америки в Европу с использованием искусственного спутника Земли в качестве пассивного отражателя радиоволн, произведена радиолокация многих планет Солнечной системы (для того чтобы представить себе трудности приема отраженных от планет сигналов, укажем, что сигнал, прошедший путь до Венеры и обратно, ослабляется в 1027 раз). На основе приборов квантовой радиоэлектроники созданы магнитометры, обладающие исключительно высокой чувствительностью и большой точностью измерения абсолютных значений магнитного поля. Так, с помощью квантовых геомагнитометров можно регистрировать изменения магнитного поля Земли на 10-7 - 10-8 долю от его величины (т.е. примерно 0,5•10-7 Гс или 0,5•10-11 Т).
Следующим важным событием, принесшим квантовой радиофизике всеобщее признание, явилось создание оптических квантовых генераторов. В 1958 г. американскими радиоспектроскопистами А.Шавловым и Ч.Таунсом в развитие идей квантовой радиоэлектроники была предложена конструкция квантового генератора света и рассмотрены общие вопросы, связанные с генерацией и усилением электромагнитных волн оптического диапазона. В 1960 г. был создан первый импульсный, а в 1961 г. - первый оптический генератор непрерывного действия (лазер). Это означало появление качественно нового источника света, который отличался от всех предшествующих важнейшим свойством - когерентностью излучения.
КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА НА ФИЗИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ СПбГУ
Первые исследования в области квантовой радиофизики проводились на кафедре радиофизики в 1949 - 1957 гг. под руководством профессора Льва Леонидовича Мясникова. Они были посвящены изучению инверсионных спектров аммиака методом микроволновой газовой радиоспектроскопии, а затем разработке методики ядерного магнитного резонанса на атомных пучках. Большую роль в развитии радиоспектроскопии конденсированных сред на кафедре сыграл талантливый ученый - доцент Федор Иванович Скрипов, возглавлявший лабораторию квантовой радиофизики с 1952 по 1961 год. Под его руководством впервые в СССР начали проводиться работы в области ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли.
В 1993 г. преподаватели и научные сотрудники, проводившие перечисленные выше исследования, проанализировав свой научный и организационный потенциал, решили объединиться в самостоятельное структурное подразделение в рамках Физического учебно-научного центра (ФУНЦ): КАФЕДРУ И ОТДЕЛ КВАНТОВЫХ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИЙ. Инициатива была одобрена на заседании кафедры радиофизики и получила поддержку на Ученых советах физического факультета и СПбГУ.