Принцип метода очень прост. Постоянное магнитное поле прикладывается к веществу так, чтобы электронные уровни испытывали зеемановское расщепление. Одновременно на образец посылается малое радиочастотное поле и его частота варьируется. Пики поглощения наблюдаются, когда частота этого поля точно соответствует разности энергий между двумя зеемановскими уровнями. В качестве примера сошлемся на ионы хрома, содержащиеся в кристалле рубина (позднее мы детально обсудим рубин). Эти ионы содержат неспаренные электроны, которые дают полный спин, равный 3/2. Электрическое поле, образуемое всеми атомами кристалла, блокирует все другие угловые моменты, и поэтому при наличии внешнего магнитного поля поведение рубина определяется лишь неспаренными электронами. Диаграмма образующихся уровней зависит от ориентации внешнего магнитного поля по отношению к главной оси симметрии кристалла (рис. 38, а). Этот эффект существенно зависит от силы магнитного поля для разных ориентации, как видно из рис. 38, б и 38, в. Стоит отметить, что подбором подходящего значения внешнего поля можно получить нужное разделение уровней. Это является фундаментальным принципом работы трехуровнего мазера.
Атомные часы
Как мы уже говорили, в 1949 г. Н. Рамси изобрел резонансную методику с разнесенными осциллирующими полями, которая в 1955 г. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Эссеном и др. для создания атомных часов и стандартов частоты. За этот метод Рамси в 1989 г. получил Нобелевскую премию по физике вместе с Г. Демельтом и В. Полем, которые разработали изощренную методику для изучения одиночных атомов и молекул.
Проблема измерения времени всегда была важной и трудной. Вначале она была связана с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как полагали, происходит с высокой регулярностью. Увеличение точности маятника, введенное Гюйгенсом и астрономическими наблюдениями, побудило во времена Ньютона, Джона Фламстида, первого Королевского Астронома в Гринвиче, проверить регулярность вращения Земли, используя маятниковые часы. Он не нашел каких-либо доказательств несовершенства в этой регулярности, но последующие поколения астрономов собрали все увеличивающийся список нерегулярности продолжительности суток.
В начале 20 столетия, например, благодаря астрономическим наблюдениям было определенно установлено, что вращение Земли замедляется из-за приливного трения. К середине 1930-х гг. часы были улучшены благодаря появлению кварцевых часов. Это позволило измерить нерегулярности вращения (рис. 39). В кварцевых часах колебания кристалла кварца создают электрические колебания с постоянной частотой, с помощью которой и измеряют время. Кварцевые часы можно откалибровать по астрономическим наблюдениям, а затем использовать их в лаборатории. Лучшие из них могут работать в течение года, накапливая ошибку в 5 миллисекунд. Эта точность, тем не менее, недостаточна для современных научных и технологических целей.
Рис. 39. Изменение продолжительности дня за период четыре года. Отметьте, что шкала по ординате только 3 мс = 0,003 с
Как только были обнаружены нерегулярности вращения Земли, стало необходимым найти другой способ определить стандарт единицы времени.
Эта единица, секунда, определялась как 86400-я часть средних солнечных суток, получаемых астрономами, рассматривающих замкнутое движение Земли по орбите вокруг Солнца (эфемиридное время). За образец принималась средняя продолжительность 1900 г. Эта единица измерений времени была принята Генеральной Ассамблеей Мер и Весов в 1960 г. (одна секунда определялась как 1/31 556 925, 9747 часть 1900-го года).
Однако требования на стабильность маятниковых и кварцевых часов не могли быть удовлетворены в отношении наиболее важного критерия, а именно, — независимая воспроизводимость.
Развитие атомной теории и, в частности, заключение, что атомы данного химического элемента все одинаковы, позволяло принять за основу единицу измерения, связанную не с Землей, но с самим атомом. Уже Максвелл и лорд Кельвин предложили использовать в качестве единицы измерения длины и времени длину волны и соответственно частоту излучения, испускаемого подходящим атомом. Например, водорода, в простейшем случае, или D-линию натрия, которая очень интенсивна. Однако потребовалось много лет, прежде чем эта идея нашла практическое воплощение. Сразу же после Второй мировой войны Ч. Таунс из Bell Labs и Р. Паунд из MIT предложили использовать микроволновое поглощение для стабилизации генератора.
Рассматривая генератор микроволн, мы видим, что по многим причинам его частота не остается строго стабильной во времени, но испытывает малые случайные изменения. Поэтому имеется проблема найти пути поддерживать ее стабильной. Решение, предложенное Таунсом и Паундом, заключалось в том, чтобы использовать молекулу аммиака, которая имеет максимум в зависимости поглощения от частоты точно на частоте 23,8 ГГЦ, причем эта частота не изменяется во времени. Принцип очень прост. Рассмотрим его для специфического случая аммиака. Предположим, что мы направляем микроволновое излучение, частоту которого мы можем изменять вблизи частоты 24 ГГц, в кювету, наполненную аммиаком, и измеряем мощность на выходе. Изменяя частоту, мы обнаруживаем максимум поглощения как раз на центральной частоте линии аммиака (23,8 ГГц). Когда поглощение максимально, мы знаем, что частота микроволн, которые мы посылаем в кювету, как раз и равна этому значению. Таким образом, достигается стабильность. Мы можем зафиксировать параметры генератора так, чтобы он генерировал точно на этой частоте. Если по какой-либо причине частота генератора изменится, то уменьшится и поглощение (т.е. увеличится мощность на выходе), и с помощью подходящей системы обратной связи мы можем подстроить частоту генератора так, чтобы получить снова частоту максимума поглощения. Этот метод позволяет контролировать и фиксировать микроволновую частоту в течение продолжительного времени, используя линии поглощения молекул.
В период 1947-1948 гг. Таунс и его коллеги построили и запатентовали устройства стабилизации генератора на клистроне, используя аммиак. Но для того, чтобы построить часы, нужно было поделить высокую частоту на фактор порядка тысячи, чтобы перенести стабильную частоту в область мегагерц, где новые часы можно было бы сравнить с уже существующими часами.
По настоянию Таунса, Гарольд Лионе (1913—1991), ответственный за подразделение по микроволновым стандартам в Американском Бюро Стандартов, в августе 1948 г. построил стандарт частоты с использованием аммиака. В 1952 г. его группа добилась стабильности одной или двух частей на сто миллионов. Это, однако, не на много превышало стабильность вращения Земли. Значительные усилия К. Шимода из Токийского университета привели к улучшению стабильности до одной части на 109.
Уже в 1948 г., когда Лионе уже построил свой первый стандарт с использованием аммиака, он начал программу создания настоящих атомных часов, основанных на атомных переходах, которые получили название «атомных часов». Поскольку он не был экспертом в спектроскопии, то попросил содействия у Исидора Раби и «правая рука» Раби, Поликарп Куш, разработал концептуальную конструкцию, в которой использовался пучок атомов цезия. Цезий уже был всесторонне изучен группой Раби, и по ряду причин ожидалась высокая стабильность.
Поликарп Куш (1911 — 1993) был очень способным экспериментатором. После получения докторской степени по молекулярной оптической спектроскопии в 1936 г. поступил в Колумбийский университет, где вместе с Раби участвовал в пионерских исследованиях метода магнитного резонанса в молекулярных пучках. С помощью этой методики он провел ряд исследований, которые привели к открытию в 1947 г. аномального магнитного момента электрона. За это он был награжден в 1955 г. вместе с Виллисом Е. Лэмбом Нобелевской премией по физике. Во время Второй мировой войны разрабатывал высокочастотные генераторы для радаров. Его лекции, которые он читал звучным голосом (известным как «шепот Куша»), носили характер проповеди, черта, которую он, вероятно, унаследовал от отца — лютеранского миссионера.