从笔记本上的想法到国家奖章：瓦列里·扎巴斯基被授予俄罗斯联邦国家奖

俄罗斯联邦国家奖是全社会和国家对科学文化活动者最高的认可，每年根据提名进行授予。在科技领域，俄罗斯联邦的公民根据他的发明和成就获得该奖项，他们的发明和成就对国内和世界科学做出了巨大贡献，对科技的发展产生了重要影响。

瓦列里·谢尔盖耶维奇的科学活动获得了全世界科学家的认可。他的工作对核磁共振领域中新的方向，即旋转噪声光谱学的形成起到了至关重要的作用。在本世纪10 年代初，该方向在圣彼得堡国立大学乌拉里采夫旋转光学实验室中得到了积极的发展。科学家在采访中向我们讲述了关于科学路线的选择、进行的研究以及所获成就的详细内容。

瓦列里·谢尔盖耶维奇，你是怎样开始从事旋转研究的？光学和光子学的什么方面吸引了你？

其实，我一开始对光学和光子学并不是很感兴趣。我小的时候想成为一名水手，后来又想从事天文学。但是我的父亲劝阻了我，于是我进入了物理学系。我在物理系读的专业是固体物理学，并在叶夫根尼·费奥多洛维奇·格罗斯的指导下进行工作。在大学毕业后，我来到了国立光学研究所，我的好朋友弗拉基米尔·弗拉基米尔洛维奇·奥夫相金也在那里工作。光学就是从那里出现的。我们开始在前苏联科学院通讯院士彼得·彼得洛维奇·费奥菲洛夫实验室里工作。在进入国立光学研究所之后不久，彼得·彼得洛维奇就建议我进行磁光学杂质晶体的研究。

旋转噪声的光谱学方法已经运用了几十年，它是怎样开始的呢？

我在国立光学研究所的前三年从事不同研究技术的学习。我对旋光测定法的灵敏性很感兴趣。我和国家科学院的院士、物理数学博士叶夫根尼·鲍里索维奇·亚历山大洛夫讨论了这个问题，我们认为，原则上可以比那个时候的旋光计的灵敏度高 3 到 4 个级别 （也就是 1000 或者 10000 倍）。

为此就要设计和制作装置：适配磁体、找到光源（那时候激光的使用还很有限）、寻找高量子输出的光敏接收器等等。简单来说，我们做出了极限灵敏度值的旋光计。所有这一切都是崭新和有趣的。

对顺磁体的旋光测量灵敏度的范围给我留下了深刻印象。如果说在我们的样品中，所有的自旋都是顺着磁场形成的，那么它们对旋转的贡献就会叠加，将光线的偏振平面转动50 度。如果所有自旋的方向是随机的且按照自己的方式运转和旋进，那么它们对于旋转的总贡献会由于随机性而不会归零。我们的方法能够记录 50 度转动的千亿分之一，因此对这个余数进行记录是没有问题的，我们可以看到自旋的“微动”和旋进的运动。

我在 1975 年的时候把这一想法记在了日记中。

第一次实验是什么时候进行的？

1981 年，我们在钠原子上完成了第一次实验。那时还是叫做法拉第旋转噪声中的磁共振，当我带着研究旋转噪声的想法找到叶夫根尼·鲍里索维奇·亚历山大洛夫的时候，他正在从可以获取哪些信息方面研究强度噪声。我们很快就找到了共同语言。实验在一对钠原子上进行，使用我们研制的激光旋光计进行探测。我们对地磁场中的过程进行观察，看见了旋进频率中的噪声峰值。如果增强磁场，那么这个峰值就会发生移动，也就是说它反映了磁场的数值。

我们获得了记录磁共振的新方法。应该说我们非常高兴，但是我们明白这仅仅只是具有一定的学术利益。我们尝试在国外发布我们的研究结果，但是有人告诉我们，他们不明白这种方法具备哪些优点，于是我们在国内的《试验和理论物理杂质》上发表了文章。

之后我们开始研究半导体系统，之后又研究了电解质晶体。但是在本世纪之前，该方法都没有得到广泛应用。在最初几次将旋转噪声应用于国外研究人员制作的半导体晶体的尝试中，用于观察信号所必须的累计时间为6个小时。显然，这种方法不具备太大的实用价值。后来，由于使用了特殊的信号累积电子学方法，测量的敏感度提高了好几个级别，之后旋转噪声光谱学开始积极向前发展。

请您谈一谈这个方法的实质以及你们科学团队的工作。

要回答这个问题，就需要弄清楚什么是自旋。很多原子（顺磁原子）具有自身的磁矩，也就是所说的自旋，在施加磁场时会有一部分会沿着磁场进行排列并能够（像普通的陀螺仪一样）绕着磁场旋进。大自然中的自旋则是包罗万象的。因此，在任何包含顺磁原子以及处于磁场中的介质里，都存在这样的运动，即旋进，所有的自旋以这种旋进的频率发出“嗡嗡声”。旋进的属性在当代物理学中得到广泛应用。我们听到的就是基础磁矩旋进（或者是按照一定的频率“嗡嗡作响”）的能力。

问题在于如何听到“嗡嗡声”。我们借助光来进行。自旋噪声光谱学方法是在偏振光的帮助下，以对介质磁化强度的微小改变进行检测为基础。线性偏振激光光束穿过介质，去掉关于磁化强度噪声谱的信息，留下原封不动的介质本身。这一信息包含了我们感兴趣的关于介质自旋属性的信息。在这一点上，自旋噪声光谱学方法与传统的光谱学方法有着本质区别，传统的方法在研究某种介质属性时使用外部作用，观察介质对其产生的反应。

这种级别的实验都会使用非常现代化的设备。你们用的是什么设备？

在我们的乌拉里采夫自旋光学实验室中制作了独一无二的自旋噪声研究装置。它的技术特性满足最高的世界标准。通过这个设备，我们可以进行最高测量敏感度的实验。

样本是肉眼看上去完全不漂亮的晶体或者半导体薄片，放置在低温恒温器之中并冷却至液体凝胶的温度（接近完全零度）。把带有以下指定参数的激光打到样本上：波长、强度和偏振。光的偏振面在出口处开始颤动。也就是说，它的属性经过了所研究介质中粒子自旋不规则旋进的调制。之后，将光束发射到平衡传感器。在平衡传感器之前，光被分为两个通路，通过这种方式，剩余的光噪声被抑制，只剩下我们感兴趣的偏振噪声。

随着所施加的磁场增加，记录的旋进信号的频率也随之增加。

光电探测器发出的信号被引到高速运转的光谱分析器上，分析器对模拟数据进行数字化并形成光谱。在这个光谱中我们可以看到磁共振。

如果你感兴趣，我们在论文中对这种技术进行了详细描述（Zapasskii, Valerii S. Spinnoise spectroscopy: From proof of principle to applications // Advances in Optics and Photonics. 2013. Vol. 5, Issue 2. P. 131–168.,在实验室网站上可以读到这篇文章）。

瓦列里·谢尔盖维奇，你如何描述自旋噪声光谱学方法的重要性？

自旋噪声光谱学是一种物理研究方法，能够观察介质基础磁体的运动：原子、电子、原子核等。这种方法的主要特点在于，它并不是指观察介质对外部作用的反应。通常来说，为了确定介质的弹性，需要想办法使其变形，而为了了解弦的声调，就需要使其振动。与此类似，自旋噪声光谱学意味着能够听到完全安静情况下的弦音。

随着圣彼得堡国立大学乌拉里采夫光学实验室的出现，做实验的条件发生了怎样的变化？

出现了全新的设备和方法：我们从扫描光普分析仪转为使用傅立叶分析仪。也许，这只是表面上的，但是变化很快就被察觉到了。我们成功地论证了傅立叶光谱学半导体系统自旋噪声技术在实时状态下的使用。

2011 年获得的俄罗斯联邦政府大奖对于圣彼得堡国立大学在这个方向上的发展非常重要，他让那时还是国外科学家的阿列克谢·卡沃金（另一个在量子计算机领域的进步：物理学家首次展示了将半导体中的“液体光”凝结成一个原子的厚度）创建了新的现代化实验室，即乌拉里采夫自旋光学研究实验室。

在过去的十年中，通过自旋噪声光谱学方法在半导体光学、原子和电解质系统领域取得了一系列意义重大的成果。现在对于这一方法还有哪些期望？

物理数学博士瓦列里·谢尔盖耶维奇·扎巴斯基毕业于列宁格勒国立大学物理系，是国际科学界中广受赞誉的科学家。他自2005 年开始在圣彼得堡国立大学工作，在 2011 年前一直在光子学教研室任职，自 2011 年起担任圣彼得堡国立大学乌拉里采夫自旋光学实验室的首席研究院，该实验室是在俄罗斯联邦政府大奖的基础上建立的。他和俄罗斯国家科学院院士、物理数学博士叶夫根尼·鲍里索维奇·亚历山大洛夫一起提出了新的物理研究方法，即自旋噪声光谱学。

自旋噪声光谱学发现了一系列全新可能性和独特的属性。目前，该方法广泛应用于鉴别半导体结构的属性、研究自旋系统和动力结构和动态。结果现实，该方法在很多方面都是独一无二的，因为所使用的的不是正常的信号，而是有噪声的信号。

目前，该方法正在经历经验累积的阶段。不久之前，我们学会了在掺杂电解质晶体上对该方法的应用，而这在之前是不可能的。这些几乎全部都是在激光技术中用作激活介质的晶体。此外，目前它们还用于量子存储设备上。

在很多当代的运用中都使用了掺有顺磁离子的晶体。最初的评估显示，噪声光谱学在灵敏度上完全不适合，我们什么也没有得到。但是我们找到了与这些系统的光学跃迁形成特点有关的方法，这使得测量灵敏度提升了很多级别。事实上，需要达到这样的效果就需要极窄线条的激光，这是一个有着很多严格要求的独特设备。

我们最近的一项成果是，我们发现可以对各向异性晶体进行研究。晶体的大部分都是各向异性的，这就意味着它们的光学属性在不同的方向上都是不同的。通过这种晶体的光中，偏振作用会发生变相，但这不是因为有自旋旋进，而是因为晶体的结构很“差”。目前，我们获得了各向异性晶体上的初期结果，这是很大的进步，过去都认为我们不能在各向异性的晶体上有所可为。

之后，我们论证了自旋噪声光谱学不仅可以用于研究电子自旋的动力，还能用来研究核自旋动力。这是完全不一样的事情。固体中所包含的原子核同样具有自旋，可以对它们定向，它们也能够旋进。但是如果通过某种方式对它们进行校正（我们使用的是光），它们就会变得松弛，并且在松弛的过程中，我们所观察到核动力的电子会出现在不同的磁场中。随着核心的松弛，它们所创造的磁场也会随之松弛，电子的旋进频率也会发生变化。在观察这一频率的时候，我们也会观察核心。这也非常有趣。

如你所看到的，这一方法一直在用新的发现给我们带来惊喜，而且它的很多有意义的可能性还没有被研究。

瓦列里·谢尔盖维奇，请和我们分享一下，你的研究和实验的新想法是怎样出现的？

我的想法都是以一种特别的方式出现的。它们是怎样出现的，我也不知道。有时候你只是在对胡乱假设的观察结果进行检查。当然，通常不是所有的都是这样。但是在对各种假设的探寻和推进的过程中，你有时候就能发现接近于真实的效应。

我一直都喜欢各种现象。人们经常对物体进行研究：拿来一个晶体然后从各个方面进行研究，而我一直以来都是想要对效应和现象进行观察。叶夫根尼·鲍里索维奇总是会谈到研究策略：如果你发现了一个新的效应，首先需要做的是尽全力消除它。如果没有成功，那就需要对其进行研究。我也支持这一原则，它决定了研究的质量。否则会在很快宣布有了新的发现之后再来后悔。

全世界的科学家都对自旋噪声光谱学方法表现出了兴趣。你对此怎们看？是什么引起了他们的注意？

这一方法是非常完美的工具。当一个新的工具出现的时候，科学家们当然会它感兴趣。

他们会评估这一工具能用来干什么。

通常来说，目前人们都认为自旋在未来有着很好的应用前景：比如量子磁力测定仪、量子存储设备、量子电信学。自旋系统已经得到应用，而这项技术还会继续发展。科学家们致力于在不同的纳米结构和固体材料中发展和实施新的自旋控制方法。这能够在IT 行业发展上开创新的前景。自旋噪声光谱学的研究工具在这里就非常有帮助了。

还有一个例子，在这种方法的基础上可以形成层析透视。当使用普通的光学仪器对某种物体进行透视时，光会在过程中被吸收，发生折射。你无法在光照射过程中分理出一个点，而把这束光的路线上的其他点都抛弃掉：它们之间是互相影响的。而如果聚焦光束，自旋噪声光谱学能够在介质中创造这个点，通过这个点就能够在这个介质中来回爬动并对其多相性进行研究。这对于光学方法来说完全是不寻常的研究方法。相对于一般的层析透视和核磁共振层析透视，这种方法更为灵活。

目前，世界上差不多有10 多个实验室在进行自旋噪声光谱学的研究，在美国、日本、法国、德国等国家都有。我们和他们也进行着合作。在这些实验室中间，我们的实验室处于领先地位。

请对刚开始走上科学道路的科学家们送上祝福。

我想建议这些新手科学家们专注于从科学创造工作中获得快乐。这是工作成功与否以及生活舒适性的最佳标准。

在圣彼得堡国立大学乌拉里采夫自旋光学实验室的瓦列里·扎巴斯基的科学团队中包括格列普·根纳季耶维奇·卡兹洛夫以及伊万·伊戈尔耶维奇·雷若夫，后者在这个团队中一路从硕士走到了物理数学副博士，并在2018 年获得了用于进行自旋噪声光谱学研究的俄罗斯联邦总统资助金（№ МК-2070.2018.2《振荡磁力测定》）。2018 年，参

加噪声团队的实验室高级研究员米哈伊尔·尤里耶维奇·彼得洛夫凭借原子中自旋噪声的研究获得了俄罗斯科学基金会的资助金。在解决实验和理论任务的过程中，实验室的领导阿列克谢·维塔利耶维奇·卡沃金以及国家科学院通讯院士、约费物理技术研究所研究员米哈伊尔·米哈伊洛维奇·格拉佐夫积极地和大学生以及研究生们共同参与其中。和多特蒙德技术大学曼弗雷德·拜尔实验室的合作取得了一些重要科学成果，圣彼得堡国立大学和该实验室进行着为期 12 年的俄罗斯基础研究基金会-德国科学基金会项目。2020 年，这个项目在“俄罗斯和德国：科学教育桥梁”竞赛中取得胜利（圣彼得堡国立大学的三个项目在这个竞赛中获奖）。目前，科学团队正在进行俄罗斯基础研究基金会-德国科学研究协会的项目“形成自旋噪声信号的基础问题”。