Вольфганг Пауль

Вольфганг Пауль (нем. Wolfgang Paul; 10 августа 1913, Лоренцкирх, Саксония — 7 декабря 1993, Бонн) — немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1989 года (совместно с Хансом Демельтом и Норманом Рамзеем). Основные научные достижения связаны с разработкой методов удержания заряженных частиц в электромагнитных полях, в частности, созданием квадрупольного масс-спектрометра и ионной ловушки (ловушки Пауля). Работы Пауля заложили основы для развития прецизионной спектроскопии, масс-спектрометрии и квантовых вычислений.

Биография

Ранние годы и образование

Вольфганг Пауль родился в семье профессора химии. После окончания гимназии в Мюнхене в 1932 году поступил в Мюнхенский технический университет, где изучал физику. В 1934 году продолжил обучение в Берлинском техническом университете, а затем в Высшей технической школе Берлина (ныне Берлинский технический университет). В 1937 году под руководством Ганса Гейгера (известного созданием счётчика Гейгера) защитил дипломную работу, а в 1939 году — докторскую диссертацию, посвящённую исследованию электронных пучков.

Научная карьера

С 1939 года работал ассистентом в Физико-техническом институте (PTB) в Берлине. В 1944 году перешёл в Гёттингенский университет, где в 1948 году получил звание профессора. В 1952 году основал Институт ядерной физики при Боннском университете и стал его первым директором. Под его руководством институт стал одним из ведущих центров по изучению структуры атомного ядра и элементарных частиц. В 1965 году Пауль был избран членом Леопольдины (Немецкой академии естествоиспытателей). В 1970-х годах активно участвовал в создании Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.

Личная жизнь и кончина

Вольфганг Пауль был женат, имел четверых детей. Его сын, Штефан Пауль, также стал физиком. Пауль скончался в Бонне 7 декабря 1993 года в возрасте 80 лет.

Научные достижения

Квадрупольный масс-спектрометр

В 1953 году Вольфганг Пауль совместно с Хельмутом Штайнведелем предложил новый тип масс-спектрометра, основанный на использовании квадрупольного электрического поля. В отличие от традиционных масс-спектрометров, использующих магнитные поля, квадрупольный фильтр позволял разделять ионы по их отношению массы к заряду (m/z) с помощью переменного и постоянного электрических напряжений, подаваемых на четыре стержневых электрода. Это устройство, получившее название квадрупольный масс-спектрометр (или «масс-фильтр Пауля»), отличалось компактностью, высокой скоростью анализа и возможностью работы при более высоких давлениях, чем в магнитных спектрометрах. Изобретение стало основой для современных масс-спектрометров, широко применяемых в химии, биологии, медицине и экологии.

Ионная ловушка Пауля

В 1959 году Пауль разработал устройство для удержания заряженных частиц в вакууме с помощью комбинации постоянного и радиочастотного электрических полей — так называемую «ловушку Пауля» (или квадрупольную ионную ловушку). В этой ловушке ионы удерживаются в трёхмерном квадрупольном поле, создаваемом кольцевым электродом и двумя конусообразными электродами. Принцип работы основан на эффекте псевдопотенциала, когда частицы совершают колебания в высокочастотном поле, оставаясь локализованными в центре ловушки. Ловушка Пауля позволила проводить длительные эксперименты с отдельными ионами, что стало важным шагом для прецизионной спектроскопии, изучения квантовых свойств частиц и создания первых атомных часов.

Эксперименты по физике элементарных частиц

В 1950-1960-х годах Пауль руководил рядом экспериментов по изучению структуры атомного ядра, в том числе измерению магнитных моментов нейтронов и протонов. Он также участвовал в разработке ускорителей заряженных частиц, в частности, циклотронов и синхротронов. Под его руководством в Боннском университете был построен один из первых в Европе электронных синхротронов (1965).

Нобелевская премия

В 1989 году Вольфганг Пауль был удостоен Нобелевской премии по физике «за разработку метода удержания одиночных ионов в ловушке и за прецизионные измерения их свойств». Премия была присуждена совместно с Хансом Демельтом (США) и Норманом Рамзеем (США). В своей нобелевской лекции Пауль подчеркнул значение ионных ловушек для фундаментальных исследований и практических применений, в частности, для создания атомных часов и квантовых компьютеров.

Применение и значение работ

Масс-спектрометрия

Квадрупольные масс-спектрометры, основанные на изобретении Пауля, стали стандартным инструментом в аналитической химии. Они используются для идентификации химических соединений, анализа белков и пептидов (протеомика), контроля качества лекарственных средств, экологического мониторинга (обнаружение загрязнителей) и в криминалистике.

Квантовые технологии

Ионные ловушки Пауля являются одной из ведущих платформ для создания квантовых компьютеров. В таких ловушках удаётся удерживать отдельные ионы, которые выступают в роли кубитов — элементарных единиц квантовой информации. Управление квантовыми состояниями ионов с помощью лазерного излучения позволяет реализовывать квантовые алгоритмы. В 2020-х годах компании и исследовательские группы (например, IonQ, Honeywell, университеты) построили прототипы квантовых компьютеров на основе ловушек Пауля, демонстрирующие высокую точность операций.

Атомные часы

Ловушки Пауля используются для создания сверхточных атомных часов, в которых частота перехода между энергетическими уровнями иона служит эталоном времени. Такие часы, например, на ионах алюминия или иттербия, имеют погрешность менее 1 секунды за миллиард лет и применяются в системах спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС), телекоммуникациях и фундаментальных исследованиях (проверка теорий гравитации).

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1989)
• Медаль Дирака (1990, совместно с Хансом Демельтом)
• Премия имени Вольфганга Пауля (учреждена в 1995 году, вручается молодым учёным в области физики)
• Член Леопольдины (1965)
• Иностранный член Американской академии искусств и наук (1990)
• Почётный доктор ряда университетов, включая Боннский, Гёттингенский и Венский.

Память

В честь Вольфганга Пауля названа ловушка Пауля (квадрупольная ионная ловушка), а также премия Вольфганга Пауля, присуждаемая Немецким физическим обществом. В 2013 году, к 100-летию со дня рождения учёного, в Боннском университете прошла международная конференция, посвящённая его наследию.

Источники

• Paul, W. (1990). «Electromagnetic traps for charged and neutral particles». Reviews of Modern Physics, 62(3), 531–540.
• Paul, W., & Steinwedel, H. (1953). «Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld». Zeitschrift für Naturforschung A, 8(7), 448–450.
• Nobel Foundation. (1989). «The Nobel Prize in Physics 1989: Wolfgang Paul, Hans G. Dehmelt, Norman F. Ramsey». Nobel Lectures, Physics 1981–1990, World Scientific.
• Major, F. G., Gheorghe, V. N., & Werth, G. (2005). Charged Particle Traps: Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. Springer.
• Werth, G. (1994). «Wolfgang Paul (1913–1993)». Nature, 367(6460), 224.