Превращения гиперболоида инженера Гарина

Хотя из теории ученые знали, что парамагнитные кристаллы должны обладать резонансным поглощением, то есть должны поглощать энергию электромагнитной волны подходящей частотой, это долго не удавалось наблюдать. Трудность заключалась не только в том, что это поглощение легче наблюдать на сверхвысоких частотах, но и в том, что линии парамагнитного резонанса очень широки (это и привлекло к ним впоследствии Блумберхена), так широки, что, перестраивая любые генераторы радиоволн от края до края шкалы, никому не удавалось даже заметить линию парамагнитного резонанса. Здесь-то и проявилось остроумие Завойского. Не то ценимое многими остроумие, вызывающее улыбку на лице собеседника, а столь редкое высшее проявление возможностей человеческого интеллекта, которое движет научный прогресс. Завойский рассуждал так. Частота парамагнитного резонанса зависит от величины магнитного поля. Мы хотим просмотреть очень широкую спектральную линию, а диапазон перестройки генераторов радиоволн слишком узок. Как поступить? Да так, как вы поступите перед осколком зеркала на стене вагона. Подвинуть его нельзя, так подвигайтесь сами, и вы увидите все, что вам нужно. Короче, если нельзя перестраивать генератор, нужно изменять магнитное поле. При этом спектральная линия будет смещаться, проходя перед генератором различными своими частями.

Одним словом, Завойский поместил исследуемый кристалл в поле генератора радиоволн и расположил свой прибор между полюсами большого электромагнита. Изменяя ток в его обмотках, Завойский обнаружил, что при вполне определенной величине тока поглощение радиоволн сильно увеличивается. Это был парамагнитный резонанс.

После открытия Завойского парамагнитный резонанс стал одним из наиболее удобных и точных методов изучения свойств твердых тел и жидкостей. Он наблюдается и в некоторых газах. При таких наблюдениях все и по сей день используют метод Завойского. Частота генератора, дающего радиоволны, необходимые для исследования, остается постоянной, а резонансная частота исследуемого вещества изменяется при помощи регулировки силы тока, питающей электромагнит.

Это отступление в область истории, несомненно, вызвало законный вопрос. Все известные до тех пор квантовые приборы работали на газах или на пучках частиц. Конечно, подобрать подходящие широкие спектральные линии было необходимо. Но этого далеко не достаточно. Как же Блумберхен предлагал приводить кристаллы в активное состояние? Ведь без этого усиление невозможно, а в твердом теле нельзя отделить частицы, находящиеся на верхних энергетических уровнях, от частиц на нижних уровнях! Действительно, никакой метод сортировки здесь неприменим.

Правда, при исследованиях парамагнитного резонанса ядер, а впоследствии и электронного парамагнитного резонанса ученые добивались на короткое время инвертирования, переворачивания населенности энергетических уровней. Первыми, как мы уже знаем, это сделали Пэрсел и Паунд. Они проявили удивительную сноровку, намагничивая кристалл фтористого лития в сильном магнитном поле, а потом быстро перенося его в магнитное поле противоположного направления. Так они перехитрили неповоротливые частицы — парамагнитные ядра фтора и лития, слабо связанные с внешними электронными оболочками, объединяющими атомы в кристалл. При перенесении кристалла в поле противоположного направления ядра не успевают быстро повернуться вслед за полем, и нижние энергетические уровни на некоторое время становятся верхними и наоборот. Значит, если вначале кристалл был в тепловом равновесии, то есть нижний уровень был заселен сильнее верхнего, то при переносе в поле противоположного направления более населенным окажется верхний уровень. И ионам ничего не оставалось, как для возвращения в равновесие высветить неожиданно оказавшийся у них избыток энергии!

Пэрсел и Паунд действительно получали при такой процедуре кратковременное индуцированное излучение, сопровождающее возвращение кристалла в равновесное состояние. Их знаменитый эксперимент, произведенный в 1951 году, теперь можно без преувеличения считать одним из предвестников квантовой электроники.

Впоследствии были разработаны и другие методы, позволяющие на время получить инверсию населенностей в парамагнитных кристаллах. Они могут быть применены при разработке усилителей, работающих в импульсном режиме. Но Блумберхена это не устраивало, он хотел, чтобы его усилитель, как и обычные усилители с электронными лампами, работал непрерывно и так долго, как это понадобится. Он хотел добиться создания устойчивого, постоянно действующего прибора, а не сенсационного успеха.