Рубины давно славятся своей твёрдостью, поэтому широко применяются в качестве сырья для подшипников, используемых в часах и различных точных приборах. Но Прохорова и Маненкова привлекала в рубине не его твёрдость, а совсем иные достоинства. Наши учёные уже далеко продвинулись в исследованиях и частично опубликовали их, когда почта принесла в библиотеку института очередной номер журнала «Физические обозрения» из США.
В этом номере опубликована статья Николая Блумбер хена, в которой он предлагает использовать для усиления и преобразования сверхвысоких частот совершенно неожиданные материалы: фторсиликат никеля и этил-сульфат гадолиния. Блумберхен был уже достаточно авторитетным исследователем, чтобы к его статье отнестись с большим вниманием. Соотечественник Лоренца и Гортера, он родился в 1920 году, окончил Лейденский университет, защитил докторскую диссертацию и затем пересёк океан в поисках более широкого применения своих способностей. В Америке его фамилию начали произносить на американский лад, и она зазвучала как Бломберген.
Блумберхен — физик-теоретик, отличающийся чётким и рациональным подходом к задачам и умением выявлять пути экспериментальной проверки и практического применения своих результатов. В этот раз его статья под названием «Квантовый парамагнитный усилитель» имела подзаголовок: «Предложение усилителя нового типа».
Что поражало в этом названии? Слово «квантовый» напоминало усилитель Басова, Прохорова, Таунса. Слово «парамагнитный» заставляло связать прибор с работами Гортера и Завойского. Что же Блумберхен взял от одного и что от другого направления? И почему из всех заманчивых возможностей, открытых новым явлением, Блумберхен сосредоточил внимание на одном: усилении радиоволн?
Многие стремились создать квантовые усилители радиоволн. Однако практические перспективы открывались лишь в диапазоне коротких радиоволн, длиной в несколько десятков метров. Но мало кто надеялся и пытался реализовать эти возможности, ибо было ясно, что новые, сравнительно сложные усилители не могли конкурировать в этом диапазоне с обычными радиолампами и транзисторами.
Блумберхен пошёл своим путём, в котором оказались сплавленными два направления, исходящие из его родного университета. Он предложил применить явление парамагнитного резонанса, предсказанного Гортером, и работать в области сверхнизких температур при температуре жидкого гелия, впервые полученного в Лейдене Камерлинг-Онесом.
В статье Блумберхена приведены не только уравнения, описывающие действие нового усилителя, но и оценки, показывающие, что такой усилитель должен обладать несравненно большей чувствительностью при приёме слабых сигналов, чем все известные ранее. Физиков особенно заинтересовал один аспект статьи. Автор указывал на радиоастрономию как на область, где применение подобного усилителя наиболее эффективно. Все сразу оценили эту рекомендацию однозначно: возникала возможность осуществить давнее намерение учёных — попытаться принять слабое радиоизлучение из космоса на волне 21 см, что подтвердило бы реальное существование космического водорода.
Блумберхен в своей статье обсуждает работу усилителя, который мог бы принять это радиоизлучение, и обращает внимание на то, что предлагаемый усилитель не только может использоваться в радиоастрономии, но способен расширить и возможности радиолокации.
Примерно через год американский учёный Сковил с сотрудниками осуществили идею Блумберхена. Их квантовый парамагнитный усилитель, в котором работали кристаллы этилсульфата гадолиния, погружённые в жидкий гелий, обладал всеми свойствами, предсказанными Блумберхеном.
Публикация Сковила открыла путь потоку статей о квантовых парамагнитных усилителях. Разные авторы применяли различные парамагнитные кристаллы, их усилители отличались конструктивными особенностями и длиной усиливаемых волн. Но принцип был единым. Вскоре выяснилось, что наилучшим и наиболее эффективным кристаллом для таких усилителей является всё-таки рубин.
Повезло ли Прохорову или тут сработала его прославленная интуиция, но именно на рубине, как мы уже знаем, сосредоточилось его внимание.
Прохоров с группой своих аспирантов и сотрудников проводил обширные и глубокие исследования парамагнит ных свойств рубина, исходя именно из того, что совокупность свойств этого драгоценного кристалла как нельзя лучше удовлетворяет требованиям, возникающим при создании квантовых усилителей дециметрового и сантиметрового диапазонов радиоволн.
История создания этих усилителей впервые продемонстрировала, что Прохоров является не обычным кабинетным учёным, а научным работником нового типа, способным не только выдвигать идеи и лично вести сложную исследовательскую работу, но и одновременно выполнять функции учёного-организатора, сплачивающего большие и разнородные коллективы для решения крупной комплексной задачи. Теперь уже поиски велись во многих научно-исследовательских институтах, причём они были не только экспериментального и теоретического плана, но и конструкторского. Идеи воплощались в приборы нового типа.
Но исследования не прекращались. Прохоров вместе с Маненковым продолжали изучать различные процессы, сопровождающие явление парамагнитного резонанса. Вместе с Карповым он исследовал трудности, которые должны были возникнуть при соединении будущего усилителя с антенной, стремился оценить важнейшую характеристику усилителя — рождающиеся внутри него шумы. На крупных магнитах НИИ ядерной физики МГУ Прохоров со своими аспирантами проводил физические исследования парамагнитного резонанса. А в ФИАНе, помимо глубоких физических исследований, уделял много времени поиску новых технических решений. Многие из них были затем использованы при разработке промышленных образцов квантовых парамагнитных усилителей, которая под его общим руководством с успехом велась в нескольких отраслевых институтах.
Целая серия усилителей со стерженьками, изготовленными из рубина и помещёнными в волновод специального типа, была разработана и выпущена коллективом, руководимым Штейншлейгером, который активно участ вовал в применении этих усилителей для радиоастрономических исследований.
В непосредственном контакте с Прохоровым работал коллектив Института радиотехники и электроники АН СССР (ИРЭ). Здесь Жаботинский и Францессон создали квантовые парамагнитные усилители нового типа, специально приспособленные для работы в дециметровом диапазоне волн. На волне, излучаемой космическим водородом, и на более длинных волнах они по всем основным характеристикам превзошли усилители лучших зарубежных моделей. Не удивительно, что коллектив создателей этих приборов, включающий сотрудников исследовательских организаций Академии наук и промышленности, был удостоен Государственной премии.
Несомненно, что высокое совершенство квантовых усилителей Института радиотехники и электроники обусловлено тем, что их создатели, начав с фундаментальных исследований, довели их до практического применения при решении сложной комплексной задачи. Эта задача — радиолокация планет — была поставлена директором ИРЭ академиком В.А. Котельниковым.
Владимир Александрович Котельников начал свой путь в науке с исследования проблем передачи информации, возникающих при создании любых линий связи. В предвоенные годы и во время войны многочисленные специалисты стремились увеличить пропускную способность линий связи, уменьшить влияние помех. Между учёными и инженерами шло в этой области настоящее соревнование. Но если вначале им удавалось достигать быстрых и существенных результатов, то постепенно продвижение начало замедляться, а затем стало совсем медленным и очень трудным. Однако большинство не находило здесь ничего особенного. Казалось, так и должно быть. Всё легкое, лежащее на поверхности исчерпано, и нужны новые глубокие идеи. Будут идеи — возобновится и продвижение. Так считало подавляющее большинство специалистов. Так думал и Котельников. Он тоже искал новую радикальную идею. Искал и не находил.
Упорные размышления привели его к совершенно неожиданному результату. Он понял, почему замедлилось и затруднилось продвижение. Он сумел увидеть и доказать, что учёные и инженеры уже близко подошли к пределу, заложенному в самой природе сигналов и помех.