Явление ЭПР широко используется в радиоспектроскопии. Почему «спектроскопии»? Почему «радио»?

По той простой причине, что переменное магнитное поле в исследовательской практике заставляют колебаться с частотами радиодиапазона. Собственно, здесь имеют дело с радиоволнами. Их поглощение измеряется особым прибором, который вычерчивает спектр ЭПР — кривую с резким скачкообразным изгибом, соответствующим резонансу и, что очень важно, характерным для каждого вещества. Именно этим методом А. М. Прохоров и его аспирант А. А. Маненков изучили широкий круг кристаллов на предмет их годности в качестве сердечника для квантовых приборов. Так в 1955 году впервые были выявлены многообещающие способности рубина, который впоследствии сделался мировой знаменитостью: ведь именно он стал рабочим телом первого лазера. Он же применяется в парамагнитных усилителях. Одну из таких установок создали профессор М. Е. Жаботинский и А. В. Францессон. Оригинальные конструктивные решения позволили резко уменьшить габариты основных узлов. Магнит «исхудал» до килограмма — его вес в.90 раз меньше, чем у равномощного усилителя фирмы Белл, слывшего лучшим в мире. Такая миниатюризация сократила и расход охладителя — сжиженного гелия. Установка Жаботинского и Францессона по своим техническим характеристикам покамест вне конкуренции: ею оборудован большой радиотелескоп Пулковской обсерватории. А на радиоастрономической станции ФИАН в Пущино (близ Серпухова) вслушивается в космические радиошорохи другой парамагнитный усилитель, с еще меньшим магнитом, — он разработан коллективом ученых под руководством А. М. Прохорова.

В радиоспектроскопии используется и ЯМР — ядерный магнитный резонанс (ядро ведь тоже малюсенький магнитик), но он в тысячи раз слабее ЭПР.

Есть и другие виды резонанса. Разумеется, микроволновая спектроскопия и в отсутствие магнитного поля изучает поглощение радиоволн различными веществами — в основном газообразными. К тому же разреженными. При переходе их в конденсированное состояние взаимодействие между тесно сблизившимися молекулами становится настолько сильным, что спектральные линии, достаточно резкие для независимых частиц, расплываются, утрачивают четкость.

Тут-то и приходят на выручку магнитные свойства тел. Только упорядочив ориентацию «микроволчков» и организовав их прецессию с помощью постоянного поля, а затем подогнав ее частоту к той, на которой работает генератор электромагнитного излучения, Завойский резко усилил эффект и получил четкую картину поглощения.

Своим расцветом в СССР радиоспектроскопия во многом обязана усилиям Прохорова и «прохоровцев».

Вскоре после войны Александр Михайлович, возглавив группу молодых искателей, вплотную приступает к фронтальной разведке в этой новой тогда области.

Малоизученная, неустоявшаяся, она манила к себе неизведанными возможностями. И надо сказать, чутье не обмануло Прохорова.

В 1948 году в лабораторию колебаний ФИАНа поступает новый сотрудник. Ему двадцать шесть. Он еще учится в Московском механическом институте, и для Александра Михайловича он долгие годы просто Коля (впрочем, самому Александру Михайловичу чуть больше 30). Минет каких-нибудь пять лет — и недавний студент, досрочно получив диплом, защитит кандидатскую диссертацию, выполненную под руководством доктора физико-математических наук А. М. Прохорова. Собственно, во всем этом нет ничего особенного; молодость наших научных кадров, сочетание учебы с работой, увлеченность, не оставляющая ни минуты для «блаженного ничегонеделанья», быстрое признание заслуг учеников учителями — вещи вполне ординарные в советских исследовательских учреждениях.

Ничего необычного для нас нет и в том, что Басов в свои 20 лет уже изведал горечь военных страданий. Выпускник фельдшерской школы, он вдоволь натерпелся всего, чем памятен фронт, наслушался артиллерийской канонады и стонов раненых, а приняв участие в демонтаже заводов, где германские концерны фабриковали смертоносные химикалии для гитлеровских душегубок, перенес тяжелое отравление, едва не стоившее ему жизни. Сколько ученых, сколько будущих Прохоровых не вернулось в свои лаборатории? Сколько будущих Басовых, еще не начав путь в науке, осталось навсегда лежать на полях сражений? А разбомбленные институты, сожженные библиотеки, муки оккупации, невзгоды эвакуации, мобилизация всех людских и материальных ресурсов для нужд обороны и затем на восстановление хозяйства, на ликвидацию чудовищной разрухи — имеют ли обо. всем этом отчетливое представление американские и канадские коллеги советских физиков, создавшие квантовый генератор, как принято писать, «одновременно и независимо»?

Не в тепличных условиях зрели многие замечательные идеи советской науки, в том числе идея лазера.

В военное время, начиная с 1942 года, советский ученый В. Л. Гинзбург, а вслед за ним и американец Ван-Флек опубликовали серию работ, где доказали, что сантиметровые волны должны ослабляться парами воды, в изобилии наполняющими атмосферу.

Полоса особенно сильного поглощения простирается примерно от одного до полутора сантиметров, и — надо же! — как раз в эти пределы попадали сигналы боевых радаров. Пришлось срочно выискивать иные диапазоны — такие «окна», где невидимый электромагнитный щуп не гасился бы столь заметно.

Если в радиоспектроскопе аммиак или иной газ поглощает волны определенной длины, то он, видимо, может их же генерировать, испуская столь же согласованным потоком, даже направленным пучком, размышляли Прохоров и Басов. Если луч радиолокатора застревает в облаках, как бы впитывается ими, то почему бы водяным парам при некоторых условиях самим не стать источником такого же луча? Нельзя ли превратить скопище молекул из радиоприемника в радиопередатчик?

Уже говорилось: в радиоспектроскопе энергия высокочастотного поля идет на возбуждение атомов и молекул. С квантовомеханической точки зрения возбуждение частицы выглядит как ее переход в новое качество, как прыжок (воображаемый, конечно) с одного разрешенного уровня на другой, более высокий.

Такое «антраша» вызывается строго отмеренной дозой электромагнитного излучения, соответствующей расстоянию между уровнями.

«Совершенно ясно, что, если все атомы в возбужденном состоянии, такая система будет усиливать излучение, — говорил А. М. Прохоров в нобелевском докладе. — Некоторые ученые понимали это еще до 1940 года, однако никто не указал, что можно создать генераторы света… Нужны были определенные предпосылки. Они появились после второй мировой войны, когда начала бурно развиваться радиоспектроскопия».

Да, квантовый генератор как прибор уходит своими истоками в радиоспектроскопию и отчасти в радиолокацию. А некоторые его принципы были известны теоретикам даже раньше — задолго до войны.

Возбужденный атом способен разрешиться от «бремени», от переполняющей его энергии двояко: либо добровольно, спонтанно, либо по принуждению — когда проносящийся мимо квант невежливо задевает частицу и пробуждает ее от оцепенения. Во втором случае речь идет об индуцированном (наведенном) излучении. Оно существенно отличается от самопроизвольного тем, что распространяется не куда угодно, а лишь в том направлении, которое задано внешним импульсом. В результате к кванту, наскочившему на атом, добавляется попутчик, устремляющийся в ту же сторону и имеющий ту же частоту: оба спутника, как говорят специалисты, когерентны. А ведь эта их характеристика была известна Дираку еще в 1927 году! Само же явление Эйнштейн предсказал в 1918 году.

Над заманчивой возможностью использовать «навязанную» радиацию размышляли и другие ученые.

«Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии». Так говорится в дипломе, выданном в 1964 году Государственным комитетом по делам изобретений и открытий СССР Валентину Александровичу Фабриканту, Михаилу Мартыновичу Вудынскому и Фатиме Асланбековне Бутаевой. Мысль, сформулированная в дипломе, родилась у них в 1951 году. Более того: в двух шагах от одного из замечательнейших открытий XX века В. А. Фабрикант, ныне доктор физико-математических наук, стоял еще в 1939 году! Да, именно тогда Валентин Александрович, ученик академика С. И. Вавилова, защитил докторскую диссертацию, опубликованную годом позже, где содержалось теоретическое обоснование ныне всемирно известного явления. Оставалось провести решающий эксперимент, но тут грянула война…