Школа резонансных свойств конденсированных сред
1. Формирование научной школы
Казанская научная школа резонансных свойств конденсированных сред возникла на основе открытия Е.К.Завойским явления электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в 1944 году в Казанском университете. После отъезда Завойского в Москву (1947) исследования в области магнитного резонанса в Казанском университете продолжались под руководством С.А.Альтшулера, вернувшегося из армии после войны.
Уже в 1952 году он предсказал явление акустического парамагнитного резонанса, которое позднее было внесено в Государственный реестр открытий. В 1954 г. Альтшулер возглавил кафедру теоретической и экспериментальной физики и привлек к исследованиям значительную группу молодых физиков, что сыграло важную роль в формировании научной школы. Среди его первых учеников были М.М.Зарипов, Л.Я.Шекун, К.А.Валиев, Ш.Ш.Башкиров, У.Х.Копвиллем, Б.И.Кочелаев, которые впоследствии внесли важный вклад в развитие школы. В эти годы исследования носили, в основном, теоретический характер. Первой важной экспериментальной работой были измерение и расшифровка спектра ЭПР в кристалле рубина, ставшего впоследствии пробным камнем квантовой электроники в качестве рабочего вещества мазеров и лазеров. Эта работа продемонстрировала также эффективность совместной работы экспериментаторов и теоретиков, которая стала в дальнейшем характерной чертой научной школы.
В 1957 г. на физфаке была создана проблемная лаборатория магнитной радиоспектроскопии (МРС) для фундаментальных экспериментальных исследований парамагнитных кристаллов и в дополнение к ней в 1962 г. - проблемная лаборатория квантовой электроники для поиска перспективных рабочих веществ для квантовой электроники. Научным руководителем обеих лабораторий стал С.А.Альтшулер.
В короткие сроки была создана серьезная экпериментальная база: сконструированы и изготовлены чувствительные спектрометры ЭПР, ядерного магнитного и квадрупольного резонансов (ЯМР, ЯКР), в специально построенном корпусе была установлена криогенная аппаратура и оборудование для выращивания монокристаллов, организованы механическая и стеклодувная мастерские.
О темпе развития экспериментальных исследований говорят следующие цифры: за первые 10 лет работы лабораторий (1958-1967) было опубликовано более 100 работ (из 360 в СССР и 1450 в мире в области магнитного резонанса), исследовано более 80 диэлектрических кристаллов, легированных парамагнитными примесями. Были установлены энергетический спектр, локальная микроструктура, скорости релаксации, и 10 соединений было рекомендовано в качестве перспективных рабочих веществ для квантовой электроники. Большинство исследований было сделано в тесном сотрудничестве с теоретиками. Образовался единый коллектив под общим руководством С.А.Альтшулера, впоследствии члена-корреспондента АН СССР, в состав которого входили сотрудники кафедр теоретической физики, квантовой электроники и радиоспектроскопии и проблемных лабораторий.
Успехи и методология исследований в области магнитного резонанса оказали существенное влияние на развитие других резонансных методов исследования конденсированных сред в Казанском университете. Целый ряд его научных подразделений возглавили профессора, научные интересы которых сформировались в рамках этой научной школы.
Исследования магнитных материалов на основе мессбауэровской спектроскопии, которые хорошо дополняли методы радиоспектроскопии, были организованы Ш.Ш.Башкировым. Успехи его исследовательской группы во многом определили создание в 1969 на ее базе кафедры физики твердого тела.
Методы импульсного ЯМР были привлечены А.И.Маклаковым, для исследования молекулярной подвижности и кристаллизации полимеров на кафедре молекулярной физики, которую он возглавил в 1967 г.
Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в химии возникла в Казани по инициативе и при постоянной поддержке академика Б.А.Арбузова в организованной им проблемной лаборатории изучения структуры органических соединений при кафедре органической химии химического факультета КГУ (1957). Ее первым и бессменным руководителем по рекомендации С.А.Альтшулера стал Ю.Ю.Самитов. Эти исследования были позднее продолжены на кафедре общей физики под руководством А.В.Аганова.
Для корректной интерпретации ЭПР-измерений и оценки пригодности веществ для квантовых оптических генераторов важную роль играли исследования оптических спектров кристаллов, активированных ионами переходных групп, которые с 1963 г. возглавлял А.Л.Столов.
Существенную роль в формировании научной школы сыграл городской "магнитный семинар" С.А.Альтшулера и регулярный выпуск сборников "Парамагнитный резонанс" (25 выпусков) под его, а затем Б.И.Кочелаева редакцией. Результаты исследований научной школы за период более 20 лет были изложены в монографии С.А.Альтшулера и Б.М.Козырева ("Электронный парамагнитный резонанс. Соединения элементов промежуточных групп". Наука, Москва, 1972.), которая приобрела широкую международную известность. История открытия ЭПР и предыстория возникновения описываемой научной школы подробно изложены в книге.
Характерной чертой научных исследований школы в следующие два десятилетия оставалось тесное взаимодействие теоретиков и экспериментаторов в решении задач физики конденсированных сред на основе результатов измерений методами ЭПР, ЯМР, оптической и мессбауэровской спектроскопии при температурах от сверхнизких до комнатных, во внешних магнитных и электрических полях, под влиянием давления. Большая часть работ была направлена на выяснение локальной электронной структуры, кристаллического поля, энергетического спектра, механизмов спин-решеточной релаксации диэлектрических кристаллов с парамагнитными примесями, ван-флековских парамагнетиков, стекол.
Широкую известность получило обнаружение гигантского перегрева и лавины фононов, находящихся в резонансе с парамагнитными ионами и спинового сверхрассеяния при насыщении крыла линии ЭПР.
В 70-х годах на кафедре молекулярной физики был разработан первый импульсный спектрометр ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля до 5 Тл/м, что уже тогда соответствовало уровню мирового достижения для такого класса приборов. Исследование трансляционной подвижности молекул в сложных молекулярных системах (полимерные и биологические системы, пористые среды и др.) градиентными методами ЯМР стало основным научным направлением кафедры. В конце 70-х годов главными объектами исследований методами мессбауэровской спектроскопии на кафедре физики твердого тела стали сложные ферримагнитные соединения, ферриты. Были начаты исследования по теории мессбауэровских спектров, охватывающие эффекты когерентности и квантовой интерференции, вызванные внешними воздействиями на исследуемый образец.
После кончины С.А. Альтшулера в 1983 году научную школу "Резонансные свойства конденсированных сред" возглавил Б.И.Кочелаев. Это название возникло в те годы в связи с определением основных научных направлений Казанского университета. К началу 2003 года коллектив школы объединял сотрудников кафедр теоретической физики, квантовой электроники и радиоспектроскопии и ее лабораторий, молекулярной физики, физики твердого тела, общей физики, в том числе 16 докторов и 23 кандидата физико-математических и химических наук.
2. Развитие научных исследований школы за десятилетие 1994-2003
и подготовка научных кадров
В кратком очерке исследований этого периода мы укажем главные изменения тематики и отметим лишь наиболее известные и характерные для школы работы. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и веществ с гигантским магнетосопротивлением привело к существенному сдвигу научных интересов в физике конденсированных сред в сторону исследований сильно коррелированных и квази-двумерных систем. Большая часть коллектива научной школы сразу включилась в изучение сверхпроводящих купратов, двумерных магнетиков и мультислойных структур магнетик/сверхпроводник, манганитов и других ян-теллеровских систем с использованием традиционных для школы методов.
Интересные и важные экспериментальные результаты были получены в описываемый период группой М.А.Теплова (незадолго до его трагической смерти в 1998 г.) методами ЯМР и ЯКР, которые указывали на динамический характер фазового расслоения купратов на области с разными величинами сверхтонких полей и градиентов электрического поля, действющих на ядра меди Cu(2) в кристаллической плоскости CuO2, которая играет главную роль в явлении ВТСП.
Информативность ЭПР-исследований ВТСП-купратов существенно повысилась благодаря идее Б.И Кочелаева использовать когерентность спиновой релаксации ионов меди и парамагнитных зондов в плоскости CuO2, возникающую вследствие сильных изотропных обменных взаимодействий между ионами меди и зонда (так называемый эффект узкого горла). Этим методом в совместных работах групп К.А.Мюллера в Цюрихском университете и Б.И.Кочелаева была выявлена существенная роль электрон-фононных взаимодействий в релаксации намагниченности, фазовое расслоение слабо-допированных купратов на нано-размерные металлические и непроводящие области, и был предложен сценарий их образования вследствие упругих сил.
На основе анализа возможных типов нестабильности нормальной фазы слабо-допированных купратов и экспериментальных дынных по температурной зависимости сдвига Найта и ядерной спиновой релаксации М.В.Еремин и др. показали, что наиболее вероятным является образование зарядово-токовых волн, конкурирующих со сверхпроводящим состоянием.
В серии работ Л.Р.Тагирова, Ю.Н.Прошина, М.Г.Хусаинова и др. в 1998-2003 годах было исследовано взаимное влияние сверхпроводимости и ферромагнетизма в мультислойных искусственно созданных структурах ферромагнетик-сверхпроводник, построена теория гигантского магнетосопротивления в нано-размерных магнитных контактах. Было показано, что такие структуры могут служить элементной базой для создания микроэлектронной аппаратуры принципиально нового типа, совмещающей преимущества и сверхпроводящего, и магнитного каналов записи информации в одном образце и рассмотрена работа таких устройств под управлением внешнего магнитного поля.
В исследованиях ван-флековских парамагнетиков М.С.Тагиров и Д.А.Таюрский использовали сверхсильные магнитные поля лаборатории в Гренобле для наблюдения субмиллиметрового ЭПР Tm3+ в монокристалле TmES на частотах до 1.6 ТГц в магнитных полях до 11 Т. Были продолжены также исследования резонансной магнитной связи между ядрами 169Tm и ядрами жидкого 3He.
В серии работ 1997-2002 годов на основе анализа результатов измерений методами оптической и ЭПР спектроскопии времен релаксации и спектров высоко- и низкочастотных электронных возбуждений кристаллов сложных бромидов, активированных редкоземельными ионами, сформулирована методика расчетов характеристик редкоземельных ионов в кристаллических полях, позволяющая прогнозировать отклики этих кристаллов на излучение накачки в различных диапазонах длин волн, и установлена перспективность этих веществ в качестве рабочих сред для преобразования частоты лазерного излучения вследствие самоорганизации димеров примесных ионов.
Группа В.Д.Скирды усовершенствовала аппаратуру градиентных методов ЯМР настолько, что градиент магнитного поля в импульсе (основная характеристика прибора, определяющая его чувствительность к пространственным смещениям спинов) достигла величин 50 - 100 Тл/м в типовых датчиках ЯМР и 200-500 Тл/м в специализированных. Эти разработки вошли в перечень уникального оборудования, разработанного в ВУЗах России. Возможности аппаратуры позволили получать уникальные результаты, которые инициировали также и развитие новых теорий. В частности, Н.Ф.Фаткуллиным была разработана оригинальная теория спиновой диффузии в полимерных системах и самодиффузии малых молекул в системах с препятствиями.
Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости сред с фрактальной структурой была исследована на основе кинетических уравнений с дробными производными в работах Р.Р.Нигматуллина. Он исследовал также возможность применения этого аппарата для статистического анализа слабых сигналов в спектрах и случайных последовательностях.
Ш.Ш.Башкиров, Э.К.Садыков и др. провели мессбауэровские исследования магнитной микроструктуры диамагнитно-замещенных редкоземельных ферриманганитов со структурой перовскита и эффектов квантовой интерференции на мессбауэровских переходах: Группа А.В. Аганова на основе метода динамической ЯМР 1Н и 13С спектроскопии, получила большой массив данных о величинах свободных энергий и энтальпий, характеризующих как конформационные состояния, так и барьеры конформационных переходов между соответствующими конформерами.
Проводившиеся научные исследования всегда были тесно связаны с подготовкой высококвалифицированных научных кадров на всем пути студент-аспирант-кандидат- доктор наук. Эту связь поколений можно проиллюстрировать на примере руководителя школы Б.И.Кочелаева. Он подготовил 28 кандидатов наук, из которых 8 стали докторами, профессорами; 5 из них остались работать в коллективе школы, подготовив уже 6 кандидатов и большое число дипломированных специалистов. За 5 лет 1998-2002 в коллективе научной школы было подготовлено 4 доктора и 29 кандидатов физико-математических наук. Большое число выпускников кафедр школы работают в Казанском физико-техническом институте им. Е.К.Завойского, в Институте биохимии и биофизики, в Институте органической химии, в других научных и педагогических учреждениях Казани, во многих других городах России и за рубежом. Существенную роль играет всероссийская молодежная научная школа "Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений" (ректор - проф. М.С.Тагиров), которая проводится в Казанском университете ежегодно с 1997 г.
В 2003 году коллектив научной школы получил грант Министерства Образования РФ "Ведущие научно-педагогические коллективы".
3. Научные связи и гранты, общественное признание
Коллектив научной школы имеет обширные российские и международные связи благодаря конференциям, совместной научной работе на основе различных грантов и личной инициативы и студенческому обмену. За 5 лет 2000-2004 коллективом научной школы было проведено в Казанском университете более 20 всероссийских и международных конференций и научных школ, в том числе была проведена юбилейная международная конференция "Nanoscale properties of condenced matter probed by resonance phenomena", 15-19 августа 2004 г., посвященная 200-летию Казанского университета и 60-летию открытия ЭПР, почетным председателем которой был Нобелевский лауреат К.А.Мюллер.
Члены школы принимают активное участие в российских и международных конференциях, которых было за 10 лет очень большое число. В качестве примера отметим здесь лишь приглашенные доклады на ведущих международных конференциях, которые сделали члены школы в 2003 году: Б.И.Кочелаев (International Conference on Dynamic Inhomogenities in Complex Oxides, June 14-20, 2003, Bled, Slovenia; NATO Advanced Research Workshop on Symmetry and Heterogeneity in High Temperature Superconductors, October 4-10, 2003, Erice-Sicily, Italy), Б.З.Малкин (International Conference on f-elements, August 24-29, 2003, Geneva, Switzerland), М.В.Еремин (International Workshop on Selforganized strongly correlated systems, August 28 -September 3, 2003, Santorini, Greece), М.С.Тагиров (Advanced Research Workshop on Nanostructured Magnetic Materials and Their Applications, July 1-4, 2003, Istanbul, Turkey), Д.А.Таюрский (The International Symposium on New Trends of Physics, January 20-24, 2003, Hokkaido University, Sapporo, Japan).
В 2003 году исследования научной школы получали финансирование (помимо гранта ведущей научной школы РФ) по 14 грантам РФФИ, 1 гранту Минобразования, 4 грантам Федеральной целевой программы "Интеграция", 3 грантам "Университеты России", 8 грантам НИОКР АН Татарстана. Важную роль в развитии научных связей играли международные гранты коллектива: CRDF и Министерства образования РФ, Швейцарского Научного Фонда по программе межинститутского партнерства между кафедрой теоретической физики и Институтом Физики Цюрихского университета, фонда Volkswagen-Stiftung, Голландского фонда NOW, 4 гранта INTAS.
Общественное признание научной школы характеризуется в значительной степени интересом к научным результатам ее членов, который в какой-то степени можно оценить цитируемостью опубликованных работ. Индекс цитируемости (ИЦ) работ руководителя школы Б.И.Кочелаева за десятилетие 1994-2003 (отношение числа ссылок к числу работ) составил ИЦ=6,7. Другие наиболее цитируемые работы этого периода принадлежат членам школы Н.Ф. Фаткуллину в области физики полимеров (ИЦ=10,5); Л.Р. Тагирову в области физики мультислоев (ИЦ=7,9); М.А. Теплову (ИЦ=5,2), и М.В. Еремину (ИЦ=4,8), оба в области ВТСП. Средний индекс цитируемости основных членов школы этого периода (16 докторов наук) составил ИЦср=3,1.
Официальное признание школы выражается в присуждении ее членам персональных стипендий, премий, наград, званий. В последние 5 лет стипендию президента РФ "Выдающиеся ученые России" получали члены школы А.В.Аганов, М.В.Еремин, Б.И.Кочелаев; стипендию фонда А. Гумбольда - И.М.Еремин и Р.Р.Валиуллин, казанскую премию имени Е.К. Завойского для молодых ученых получили О.Н.Бахарев, И.А.Ларионов, И.М.Мухаметшин, Д.АТаюрский.
Академия Наук Татарстана избрала своими член-корреспондентами Л.К.Аминова, Ш.Ш.Башкирова и М.М.Зарипова. А.В.Аганов - действительный член Российской Академии естественных наук.
Почетное звание "Заслуженный деятель науки Российской Федерации" присвоено А.В.Аганову, Ш.Ш.Башкирову и Б.И.Кочелаеву; звание "Заслуженный деятель науки ТАССР" - М.М.Зарипову и Б.И.Кочелаеву, "Заслуженный деятель науки Республики Татарстан" - А.В Аганову и М.В.Еремину.
Кочелаев Б.И. награжден орденом Трудового Красного Знамени, Маклаков А.И. - медалью "Отличник образования", Тагиров Л.Р. - медалью АН СССР для молодых ученых, Жучков М.С. - медалью Минвуза РФ "За лучшую студенческую работу".
