Наука
Специфика кафедры квантовых магнитных явлений заключается в том, что все исследования проводятся методами квантовой радиофизики. Квантовая радиофизика как область науки сформировалась только к началу 1960-х годов. Методы квантовой радиофизики, такие как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) и двойные резонансы на их основе предоставляют уникальную информацию о молекулярном строении и внутренних движениях в твердых телах и в жидкостях, о кристаллической структуре, распределении электронной плотности в металлах, сплавах и полупроводниках, о внутренних полях в ферромагнитных и антиферромагнитных веществах, о плотности энергетических состояний в сверхпроводниках, о свойствах квантовых жидкостей, о структуре молекул и скорости реакций и т.д.. 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.). Эти методы используются и в современной медицине, в частности, для диагностики раковых опухолей (ЯМР-интроскопия). Они используются для создания квантовых генераторов и усилителей, а также магнитометров, которые находят применение, например, для археологического поиска.
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.
В настоящее время в магнитном резонансе 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.
Основными научными направлениями на кафедре квантовых магнитных явлений, по которым выполняются магистерские, кандидатские и докторские диссертации являются:
Ядерная магнитная релаксация в растворах электролитов;
ЯМР-томография (интроскопия);
Ядерный магнитный резонанс в земном поле;
Квантовая магнитометрия в археологии;
ЯМР в жидких кристаллах;
ЯМР в пористых средах;
Ядерный магнитный резонанс в твердых телах;
Ядерный магнитный резонанс в магнитоупорядоченных веществах;
Электронный парамагнитный резонанс в сильных полях;
Электронный парамагнитный резонанс в слабых магнитных полях.
На кафедре работает 3 доктора и 13 кандидатов наук.
Многие работы ученых кафедры квантовых магнитных явлений носят приоритетный характер. Впервые в Ленинграде и одними из первых в СССР в 1953 г. сотрудники лаборатории квантовой радиофизики разработали и создали спектрометры ЯМР высокого разрешения для исследования жидкостей (П.М. Бородин), в 1958 г. - спектрометр широких линий для исследования твердых тел (В.В. Москалев, А.Н. Александров), а затем, в 1960 г. - спектрометр ядерного квадрупольного резонанса (В.С. Гречишкин). В 1959 г. были введены в действие импульсные ядерно-резонансные релаксометры на основе так называемого спинового эха. Релаксометр в магнитном поле Земли был одним из первых в мире (Ю.С. Чернышев), а когерентный сильнопольный релаксометр был создан В.И. Чижиком впервые в СССР (до этого в г.Казани в 1958 г. был изготовлен лишь некогерентный вариант прибора). Впервые в СССР в 1953 г. получен сигнал ЯМР в земном поле и начата работа по созданию приборов различного целевого назначения. В 1958 г. был создан оригинальный квантовый генератор, работающий в магнитном поле Земли на частоте квантовых переходов ядер водорода воды.
Впервые в мировой практике произведено фурье-преобразование сигнала свободной индукции ядер(Ф.И. Скрипов, А.В. Мельников, А.А. Морозов, 1959 г.) для получения спектров ЯМР, которое в настоящее время используется во всех современных ЯМР- и ЭПР-спектрометрах и ЯМР-томографах.
В период 1965-1985 гг. В.И. Чижик разработал метод определения координационных чисел ионов и скоростей переориентации молекул в различных подструктурах растворов электролитов на основе детального анализа концентрационных и температурных зависимостей скоростей ядерной магнитной релаксации. В результате им были сформулированы закономерности построения гидратных оболочек ионов. В ходе исследований был также внесен существенный вклад в разработку моделей ядерной магнитной релаксации.
С 1970 г. проводятся исследования особенностей ЯМР в жидких кристаллах. Вначале основным направлением была разработка методов интерпретации спектров ЯМР в этих объектах, причем одним из важнейших результатов следует признать развитие метода расчета спектров на основе полного (но видоизмененного) дипольного гамильтониана для многоспиновых систем. В настоящее время интенсивно развиваются релаксационные методы изучения жидких кристаллов с использованием быстрого циклирования магнитного поля (в мире имеется лишь несколько спектрометров ЯМР подобного типа). Исследования жидких кристаллов методом ЯМР успешно продолжаются кандидатами наук С.В. Двинских и А.В. Комолкиным.
Исследование микроструктуры и динамики твердых тел - одно из традиционных направлений кафедры (В.С. Касперович, В.В. Москалев, В.В. Матвеев, Н.А. Григорьева, М.Г. Шеляпина). Ядерный магнитный резонанс в магнитоупорядоченных веществах (ферромагнетиках, ферритах, антиферромагнетиках) имеет две основные особенности: во-первых, гигантское постоянное магнитное поле на ядрах определяется свойствами самого вещества и прежде всего свойствами электронных оболочек парамагнитных ионов; во-вторых, переменное магнитное поле, действующее на ядра, по своей величине сильно отличается от внешнего переменного поля и может быть разным для ядер, расположенных в разных местах образца. В стенах СПбГУ выполнены приоритетные работы по изучению влияния распределения коэффициента усиления на сигналы свободной индукции ядер и спинового эха (В.В. Москалев). С 1980 г. В.С. Касперович ведет интенсивные исследования в области применения ЯМР для определения степени упорядоченности в твердых растворах.
В 60-х годах в лаборатории НИИФ созданы уникальные установки для регистрации спектров ЯМР (В.В. Фролов) и ЭПР (В.С. Баранов) в слабых и промежуточных магнитных полях. В настоящее время ведутся исследования с целью разработки ЯМР-интроскопа (томографа) в относительно слабых магнитных полях.
Одновременно с научными исследованиями преподаватели и научные сотрудники активно участвовали в разработке практических приложений ЯМР и ЭПР. В частности, ЯМР в земном поле используется для археологического поиска. Так, уже в 1958 г. в археологической экспедиции АН СССР на Чудском озере в районе места Ледового побоища сотрудники кафедры и студенты 4 курса участвовали в проведении подводного магнитометрического поиска доспехов и оружия рыцарей Тевтонского ордена. Затем были многие другие археологические экспедиции: в Крыму, Армении, в Псковской обл., под Великим Новгородом на Рюриковом Городище, а также в Дании, Египте и других местах.
В.И. Чижик и Ю.С. Чернышев являются соавторами методических рекомендаций по определению основных физических параметров коллекторов нефти и газа методом ядерного магнитного резонанса (Руководящий документ по отрасли). Сотрудниками кафедры разработаны способы анализа содержания алюминия и натрия в глиноземном производстве, гадолиния в процессе экстракции редкоземельных элементов.