От идеи в дневнике до государственной награды: Валерию Запасскому присуждена Государственная премия Российской Федерации

Звание лауреата Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий за 2020 год присвоено ведущему научному сотруднику СПбГУ (лаборатория оптики спина имени И. Н. Уральцева) доктору физико-математических наук Валерию Запасскому. Ежегодная торжественная церемония вручения наград проходит в Кремле.

Государственная премия РФ — высшее признание заслуг деятелей науки и культуры перед обществом и государством — присуждается ежегодно по нескольким номинациям. В области науки и технологий ее получают граждане РФ за открытия и достижения, результаты которых существенно обогатили отечественную и мировую науку, оказали значительное влияние на развитие научно-технического прогресса.

Научная деятельность Валерия Сергеевича получила признание ученых во всем мире. Его работы сыграли ключевую роль в становлении нового направления в области ядерно-магнитного резонанса — спектроскопии спиновых шумов. В начале 2010-х годов оно получило активное развитие в лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева Санкт-Петербургского университета. Подробнее о выборе научного пути, исследованиях и достижениях — в интервью с ученым.

Валерий Сергеевич, как получилось, что вы стали заниматься исследованиями спинов? Чем вас привлекли именно оптика и фотоника?

Вы знаете, оптика и фотоника изначально меня не очень интересовали. Когда я был маленький, то хотел быть моряком, а потом решил, что буду заниматься астрономией. Но отец меня отговорил, и я поступил на физический факультет. На физфаке я учился по специальности «физика твердого тела», работал под руководством Евгения Федоровича Гросса. После окончания Университета я пришел в Государственный оптический институт (ГОИ), где работал мой очень хороший приятель Владимир Владимирович Овсянкин. Вот оттуда и появилась оптика. Мы начали работать в лаборатории члена-корреспондента АН СССР Петра Петровича Феофилова. Вскоре после поступления в ГОИ Петр Петрович предложил мне заняться магнитооптикой примесных кристаллов.

Метод спектроскопии спиновых шумов применяется не один десяток лет. А с чего он начинался?

Первые три года работы в ГОИ я занимался изучением различных техник исследования. Меня заинтересовала чувствительность поляриметрических измерений. Мы обсуждали этот вопрос с академиком РАН, доктором физико-математических наук Евгением Борисовичем Александровым и пришли к выводу, что в принципе можно достичь чувствительности измерений, превышающей на 3–4 порядка (то есть в 1000 или 10 000 раз) рекордную чувствительность поляриметров того времени.

Для этого нужно было придумать и создать установку: приспособить магнит, найти источник света (лазеры тогда применялись очень ограниченно), найти фотоприемники с высоким квантовым выходом и т. д. Короче говоря, мы сделали поляриметр с предельно достижимой чувствительностью. Все это было новым и интересным.

Меня впечатлил масштаб поляриметрической чувствительности именно применительно к реальным парамагнетикам. Если в нашем образце все спины выстроены вдоль поля, то их вклады во вращение сложатся, они повернут плоскость поляризации света примерно на 50 градусов. Если все спины ориентированы случайным образом и при этом живут своей жизнью, двигаясь и прецессируя, то их суммарный вклад во вращение именно из-за этой случайности не сможет обратиться в нуль. Этот остаток наша методика, способная зарегистрировать одну стомиллиардную часть от полного 50-градусного поворота, должна без труда зарегистрировать, и мы увидим «шевеление» спинов и их прецессионное движение. Эта идея записана у меня в дневнике в 1975 году.

А когда состоялись первые эксперименты?

Первый эксперимент мы сделали на атомах натрия в 1981 году. Когда я пришел к Евгению Борисовичу Александрову с идеей посмотреть спиновые шумы, а тогда это называли магнитный резонанс в шумах фарадеевского вращения, он занимался шумами интенсивности в свете того, какую информацию из них можно получить. Мы сразу нашли общий язык. Эксперимент проводили на парах атомов натрия, а детектирование осуществлялось с использованием разработанного нами лазерного поляриметра. Наблюдали процесс в земном магнитном поле и увидели пик в шумах на частоте прецессии. Если увеличить магнитное поле, то этот пик смещался, то есть он отражал величину магнитного поля.

Мы получили новый способ регистрации магнитного резонанса. Мы очень обрадовались, надо сказать, но понимали, что это имеет чисто академический интерес. Мы сделали попытку опубликовать результаты за рубежом, но нам сказали, что непонятно, какие достоинства есть у этого метода, и мы опубликовали статью в отечественном «Журнале экспериментальной и теоретической физики».

Потом начали изучать полупроводниковые системы, а затем и диэлектрические кристаллы. Однако до начала нового столетия широкого применения метод не находил. В первых попытках применения метода спиновых шумов к полупроводниковым кристаллам, выполненных зарубежными исследователями, необходимое для наблюдения сигнала время накопления составило примерно шесть часов. Понятно, что такая методика не имела большой практической ценности. В дальнейшем благодаря применению специальных электронных способов накопления сигнала чувствительность измерений была увеличена на несколько порядков величины, после чего спектроскопия спиновых шумов стала активно двигаться вперед.

Расскажите, пожалуйста, о сути метода и работе вашей научной группы.

Чтобы ответить на этот вопрос, надо пояснить, что такое спин. Многие атомы (парамагнитные атомы) имеют собственные магнитные моменты — так называемые спины, которые при приложении магнитного поля частично выстраиваются вдоль него и могут (подобно обычным волчкам) прецессировать вокруг приложенного поля. Спин в природе — вещь универсальная. Поэтому в любой среде, содержащей парамагнитные атомы и находящейся в магнитном поле, присутствует такое движение — прецессия, все спины как бы «жужжат» на частоте этой прецессии. Свойство прецессии широко используется в современной физике. Вот эту способность элементарных магнитных моментов прецессировать (или «жужжать» на определенной частоте) мы и слушаем.

Вопрос в том, как услышать это «жужжание»? Мы делаем это с помощью света. Метод спектроскопии спиновых шумов основан на детектировании слабых изменений намагниченности среды с помощью поляризованного света. Линейно поляризованный лазерный пучок проходит через среду и снимает информацию о спектре шумов ее намагниченности, оставляя саму среду нетронутой. Эта информация содержит интересующие нас сведения о спиновых свойствах среды. В этом метод спектроскопии спиновых шумов радикальным образом отличается от традиционных методов спектроскопии, где для исследования свойств какой-либо среды используется внешнее воздействие и наблюдается отклик среды на него.

Эксперименты такого уровня предполагают использование суперсовременного оборудования. На чем работаете вы?

В нашей лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева создана уникальная установка для исследования спиновых шумов. По своим характеристикам она отвечает высочайшим мировым стандартам. С ее помощью мы можем проводить эксперименты с максимальной чувствительностью измерений.

Образец — визуально это вполне невзрачные кристаллы или полупроводниковые пластинки — помещается внутри криостата и охлаждается до температуры жидкого гелия (близкой к абсолютному нулю температур). На него направляется излучение лазера с заданными параметрами: длиной волны, интенсивностью и поляризацией. На выходе плоскость поляризации света начинает дрожать. То есть его свойства оказываются модулированными той самой хаотической прецессией всех спинов тех частиц, которые в изучаемой среде находятся. Далее луч направляется на балансный детектор. Перед балансным детектором свет разделяется на два канала, за счет этого избыточные световые шумы подавляются, остаются только поляризационные шумы, которые нас интересуют. По мере роста приложенного магнитного поля частота регистрируемого прецессионного сигнала увеличивается.

Сигнал из фотодетектора заводится на быстродействующий спектроанализатор, который оцифровывает аналоговые данные и строит их спектр. В этом спектре мы и видим магнитный резонанс.

Если вам интересно, эту технологию мы подробно описывали в научных работах (например: Zapasskii, Valerii S. Spin-noise spectroscopy: From proof of principle to applications // Advances in Optics and Photonics. 2013. Vol. 5, Issue 2. P. 131–168., о ней можно почитать и на сайте лаборатории.

Валерий Сергеевич, как вы описали бы важность метода спектроскопии спиновых шумов?

Спектроскопия спиновых шумов — это метод физических исследований, позволяющий наблюдать движение элементарных магнитов среды: атомов, электронов, атомных ядер и других. Важная особенность этого метода состоит в том, что он не подразумевает наблюдения отклика среды на внешнее воздействие. Как это обычно бывает: чтобы определить упругость среды, надо попытаться ее деформировать, а чтобы узнать тон звучания струны, ее колебания надо возбудить. В рамках этой аналогии спектроскопия спиновых шумов подразумевает возможность слышать звучание струны, находящейся в полном покое.

Как изменились условия для экспериментов  с появлением Лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ?

Появилась принципиально новая техника и новый подход: от сканирующих спектроанализаторов перешли к анализаторам Фурье. Это, может, и лежало на поверхности, но не сразу было замечено. В результате удалось продемонстрировать применение техники спиновых шумов к полупроводниковым системам в версии фурье-спектроскопии в реальном времени.

Очень важным для развития этого направления в СПбГУ стало получение в 2011 году мегагранта Правительства Российской Федерации, позволившего Алексею Кавокину (Еще один шаг к квантовому компьютеру: физики впервые показали конденсацию «жидкого света» в полупроводнике толщиной всего в один атом), тогда зарубежному ученому, создать новую современную лабораторию — исследовательскую лабораторию оптики спина имени И. Н. Уральцева. На этом этапе было приобретено оборудование, необходимое для создания высокосовершенного спектрометра спиновых шумов, и была создана группа, работа которой нацелена на развитие данного направления.

За последнее десятилетие методом спектроскопии спиновых шумов был получен ряд фундаментальных результатов в области оптики полупроводников, атомных и диэлектрических систем. Какие надежды возлагаются сегодня на этот метод?

Доктор физико-математических наук Валерий Сергеевич Запасский — выпускник физического факультета Ленинградского государственного университета, признанный ученый в международном научном сообществе. С 2005 года работает в СПбГУ, до 2011 года являлся сотрудником кафедры фотоники, с 2011 года — ведущий научный сотрудник лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ, созданной в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации. Совместно с академиком РАН, доктором физико-математических наук Евгением Борисовичем Александровым стал создателем нового научного метода физических исследований — спектроскопии спиновых шумов.

Спектроскопия спиновых шумов обнаружила ряд совершенно новых возможностей и уникальных свойств. В настоящее время она широко используется в науке и технологии для диагностики свойств полупроводниковых структур, для изучения энергетической структуры и динамики спиновых систем. Оказалось, что она во многих отношениях уникальна именно благодаря тому, что использует не регулярный, а шумовой сигнал.

Сейчас метод проходит стадию накопления опыта. Совсем недавно мы научились (что казалось ранее невозможным) применять его к примесным диэлектрическим кристаллам. Это фактически все кристаллы, которые используются в лазерной технике в качестве активных сред. Кроме того, в настоящее время они используются в устройствах квантовой памяти.

Во многих современных приложениях используются кристаллы с примесью парамагнитных ионов. Первые оценки показали, что шумовая спектроскопия по чувствительности совершенно не годится, никогда ничего не получится. Но мы нашли подход, связанный с особенностями формирования оптических переходов этих систем, и он позволил на много порядков величины увеличить чувствительность измерений. Правда, для этого требуется лазер с очень узкой линией — это уникальное оборудование, к которому очень много серьезных требований.

Еще одно из последних наших достижений — только сейчас мы обнаружили, что можем исследовать анизотропные кристаллы. Большая часть кристаллов анизотропные, это значит, что у них оптические свойства по разным направлениям разные. У света, прошедшего через такой кристалл, искажается поляризация, но не из-за того, что у него прецессируют спины, а потому что кристалл структурно «плохой». Сейчас мы получили первые результаты на анизотропных кристаллах — это большой прогресс, раньше считалось, что с анизотропными кристаллами мы не сможем работать.

Потом мы продемонстрировали, как спектроскопию спиновых шумов можно использовать не только для изучения динамики электронных спинов, но и для изучения ядерной спиновой динамики. Это совсем другая история. Ядра атомов, которые содержатся в твердом теле, тоже имеют спины, их тоже можно ориентировать, они тоже прецессируют. Но если их каким-то образом сориентировать (мы это делаем светом), то потом они релаксируют, и в процессе релаксации электроны, по которым мы наблюдаем за динамикой ядер, оказываются в разном магнитном поле. По мере того как ядра релаксируют, релаксирует и магнитное поле, которое они создают, меняется частота прецессии электронов. Следя за этой частотой, мы следим за ядрами. Это тоже очень интересно.

Как видите, этот метод продолжает постоянно удивлять нас новыми открытиями, и многие его фундаментальные возможности еще остаются неизученными.

Валерий Сергеевич, поделитесь, как у вас возникают новые идеи для исследований и экспериментов?

Идеи возникают каким-то удивительным образом. Как они возникают, неизвестно. Иногда ты просто проверяешь наблюдения, которые есть, на какие-то бредовые предположения. Конечно, обычно это все оказывается не так. Но в процессе вот этого поиска, движения по всяким гипотезам иногда нападаешь на какой-то правдоподобный реальный эффект.

Мне всегда нравились явления. Люди часто занимаются объектами: берут кристалл и его со всех сторон исследуют, а я всю жизнь хотел наблюдать эффекты и явления. Евгений Борисович всегда говорит про стратегию исследования: если вы обнаружили новый эффект, первое, что нужно сделать, — это приложить максимум усилий, чтобы его ликвидировать, устранить. А вот если его не удалось подавить, тогда им надо заниматься. Я тоже всегда придерживаюсь это принципа, он определяет качественность исследования. Иначе можно быстро объявить, что сделано открытие, а потом раскаиваться.

Ученые во всем мире проявляют интерес к методу спектроскопии спиновых шумов. Как бы вы оценили этот факт, что их прежде всего привлекает?

Это прекрасный инструмент. Когда появился новый инструмент, ученые, конечно, заинтересовались. Они смотрят, для каких целей это подходит.

Спины сейчас, вообще говоря, считаются очень перспективными для применения в будущем: приборы квантовой магнитометрии, устройства квантовой памяти, квантовой телекоммуникации. Спиновые системы уже используются, и эта техника продолжает развиваться. Ученые стремятся к развитию и реализации принципиально новых стратегий управления спинами в различных наноструктурах и твердотельных материалах. Это может открыть новые перспективы в развитии IT-индустрии. И как инструмент исследования спектроскопия спиновых шумов здесь очень полезна.

Еще пример: на основе этой методики можно создать томографию. Когда обычной оптикой просвечивают какой-то объект, то свет по пути поглощается, преломляется, что-то с ним происходит. Вы не можете на пути света выделить какую-то одну точку, а остальные точки по траектории этого света выкинуть: они друг другу мешают. А спектроскопия спиновых шумов позволяет, если сфокусировать пучок, создать такую точку в среде, которой можно елозить по этой среде и исследовать ее неоднородность. Это для оптической методики совершенно нетривиальный способ исследования. Это намного более мобильная методика, чем обычная томография и томография ЯМР.

Сейчас в мире работает около десятка лабораторий, где занимаются спектроскопией спиновых шумов, — в Америке, Японии, Франции, Германии. Мы с ними сотрудничаем. В ряду этих лабораторий наша занимает ведущее место.

Ваше напутствие начинающим ученым, которые выбирают свой путь в науке.

Я бы, наверное, посоветовал начинающим ученым нацелиться на получение удовольствия от творческой работы в науке. Это лучший критерий успешности работы, а заодно и комфортности существования.

В научную группу Валерия Запасского лаборатории оптики спина имени И. Н. Уральцева СПбГУ входят Глеб Геннадьевич Козлов и Иван Игоревич Рыжов, прошедший в составе этой группы путь от студента магистратуры до кандидата физико-математических наук и получивший в 2018 году грант президента РФ для исследования спектроскопии спиновых шумов (№ МК-2070.2018.2 «Флуктуационная магнитометрия»). В 2018 году старший научный сотрудник лаборатории Михаил Юрьевич Петров, присоединившийся к шумовой группе, получил грант РНФ по изучению спинового шума в атомах. В решении экспериментальных и теоретических задач группы наряду со студентами и аспирантами активное участие принимают руководитель лаборатории Алексей Витальевич Кавокин и Михаил Михайлович Глазов, сотрудник ФТИ имени А. Ф. Иоффе, член-корреспондент РАН. Важные научные результаты были получены в сотрудничестве с лабораторией Манфреда Байера Технического университета Дортмунда, совместно с которой в СПбГУ выполняется 12-летний проект РФФИ-DFG. В 2020 году этот проект стал победителем российско-германского конкурса «Россия и Германия: научно-образовательные мосты» (Три проекта СПбГУ стали победителями международного конкурса «Россия и Германия: образовательные мосты»). Сейчас научная группа реализует проект РФФИ-ННИО_а «Фундаментальные проблемы формирования сигнала спинового шума».