Ханс Демельт¶

Ханс Демельт (нем. Hans Georg Dehmelt; 9 сентября 1922, Гёрлиц, Германия — 7 марта 2017, Сиэтл, США) — американский физик-экспериментатор немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии по физике 1989 года (совместно с Вольфгангом Паулем) за разработку метода удержания одиночных ионов в ловушке и прецизионное измерение их свойств. Известен как создатель ионной ловушки Пеннинга, одного из ключевых инструментов современной квантовой физики и спектроскопии.

¶Биография

¶Ранние годы и образование

Ханс Георг Демельт родился 9 сентября 1922 года в городе Гёрлиц (провинция Нижняя Силезия, Веймарская республика) в семье юриста Георга Демельта и его жены Эмилии. В 1933 году семья переехала в Берлин, где Ханс поступил в гимназию. В 1940 году, после окончания школы, был призван в вермахт. Участвовал во Второй мировой войне в составе зенитных частей на Восточном фронте. В 1944 году попал в советский плен, где провёл около года. После освобождения в 1945 году вернулся в Германию.

¶Научная карьера

В 1946 году Демельт поступил в Гёттингенский университет, где изучал физику под руководством Макса фон Лауэ и Вольфганга Пауля. В 1950 году защитил дипломную работу, посвящённую исследованию ядерного магнитного резонанса. В 1952 году получил докторскую степень за работу по измерению магнитных моментов ядер. В 1954 году эмигрировал в США, где начал работу в Университете Дьюка (Дарем, Северная Каролина). В 1955 году перешёл в Вашингтонский университет (Сиэтл), где проработал до выхода на пенсию в 2002 году. В 1961 году получил американское гражданство.

¶Личная жизнь

Демельт был дважды женат. Первая жена — Ирмгард Лассов (брак заключён в 1948 году, развод в 1954 году). Вторая жена — Дороти Уинсор (с 1962 года). Имел двоих сыновей. Увлекался альпинизмом и фотографией. Скончался 7 марта 2017 года в Сиэтле в возрасте 94 лет.

¶Научные достижения

¶Ионная ловушка Пеннинга

Основным вкладом Демельта в экспериментальную физику стало изобретение и совершенствование ионной ловушки Пеннинга. В 1959 году он предложил конструкцию, в которой ионы удерживаются в вакууме комбинацией статического магнитного поля (создаваемого сверхпроводящим соленоидом) и электрического квадрупольного поля. В отличие от ловушки Пауля, использующей переменное электрическое поле, ловушка Пеннинга позволяет удерживать одиночные ионы в течение длительного времени (до нескольких месяцев) с высокой стабильностью. Это дало возможность проводить сверхточные измерения свойств частиц.

¶Измерение магнитного момента электрона

В 1970-х годах Демельт с коллегами впервые измерил магнитный момент одиночного электрона, удерживаемого в ловушке Пеннинга. Эксперимент показал, что значение магнитного момента электрона с высокой точностью совпадает с предсказаниями квантовой электродинамики (КЭД). Погрешность измерения составила около 10⁻¹², что на тот момент было рекордной точностью для физических экспериментов. Это подтвердило правильность теории КЭД и позволило уточнить значения фундаментальных констант.

¶Эксперимент с позитроном

В 1980-х годах Демельт и его группа провели серию экспериментов по измерению магнитного момента позитрона (античастицы электрона). Результаты показали, что магнитные моменты электрона и позитрона равны по величине, но противоположны по знаку, что подтвердило CPT-симметрию — фундаментальный принцип квантовой теории поля.

¶Работа с атомами и ионами

Помимо одиночных частиц, Демельт изучал спектры атомов и ионов, удерживаемых в ловушке. Он разработал методы лазерного охлаждения ионов, что позволило снизить их температуру до микрокельвинов и проводить спектроскопию с рекордным разрешением. Эти работы стали основой для развития квантовых компьютеров на ионных ловушках и создания атомных часов нового поколения.

¶Нобелевская премия

В 1989 году Ханс Демельт был удостоен Нобелевской премии по физике «за разработку метода удержания одиночных ионов в ловушке и прецизионное измерение их свойств». Премию он разделил с Вольфгангом Паулем (Германия), который создал альтернативный тип ловушки — квадрупольную ловушку Пауля. В своей нобелевской лекции Демельт подчеркнул, что его работа стала возможной благодаря развитию сверхпроводящих магнитов и электроники, а также сотрудничеству с такими учёными, как Дэвид Вайнленд и Гарольд Демельт (не родственник).

¶Признание и награды

• Нобелевская премия по физике (1989)
• Премия Румфорда Американской академии искусств и наук (1985)
• Медаль Дирака (1988)
• Член Национальной академии наук США (1978)
• Член Американской академии искусств и наук (1985)
• Иностранный член Гёттингенской академии наук (1990)

¶Критика и споры

В научной среде Демельт был известен как требовательный и скрупулёзный экспериментатор, но также как человек с жёстким характером. Некоторые коллеги критиковали его за авторитарный стиль руководства и нежелание делиться авторством публикаций с молодыми исследователями. В 1990-х годах возникли разногласия с группой Дэвида Вайнленда (Национальный институт стандартов и технологий, США) по поводу приоритета в разработке методов лазерного охлаждения ионов. Тем не менее, эти споры не повлияли на признание его фундаментального вклада в физику.

¶Наследие

Работы Демельта заложили основы для целого ряда современных технологий:

• Квантовые компьютеры: ионные ловушки используются в качестве кубитов в квантовых вычислителях.
• Атомные часы: на основе ионных ловушек созданы оптические часы с точностью до 10⁻¹⁸.
• Спектроскопия: методы, разработанные Демельтом, применяются для изучения сверхтонкой структуры атомов и поиска новых физических эффектов за пределами Стандартной модели.
• Масс-спектрометрия: ловушка Пеннинга используется в масс-спектрометрах высокого разрешения для анализа молекул и ионов.

В честь учёного назван кратер на Луне (Демельт, диаметр 12 км) и астероид 12278 (1990 TU).

¶Интересные факты

• Демельт был известен своей любовью к точности: он требовал, чтобы все эксперименты повторялись не менее 100 раз для статистической достоверности.
• В 1990-х годах он участвовал в проекте по поиску гравитационных волн с помощью ловушек Пеннинга, но эксперимент не дал результатов.
• Несмотря на преклонный возраст, Демельт продолжал работать в лаборатории до 85 лет, занимаясь усовершенствованием методов измерения магнитных моментов.
• В 2002 году он передал свой архив Вашингтонскому университету, включая рукописи, чертежи и оборудование.

¶Источники

• Dehmelt, H. (1989). «Experiments with an isolated subatomic particle at rest». Nobel Lecture.
• Paul, W. (1990). «Electromagnetic traps for charged and neutral particles». Reviews of Modern Physics.
• Van Dyck, R. S., Schwinberg, P. B., Dehmelt, H. (1987). «New high-precision comparison of electron and positron g factors». Physical Review Letters.
• Wineland, D. J. (2013). «Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat».
• National Academy of Sciences Biographical Memoir: Hans G. Dehmelt (2018).