Открыт полностью оптический аналог ядерного магнитного резонанса в квантовых жидкостях света

Ученые Сколковского института науки и технологий, Варшавского университета и Исландского университета показали, что с помощью оптических методов можно возбуждать и «перемешивать» экситон-поляритонный конденсат, излучающий линейно поляризованный свет, направление оси поляризации которого совпадает с направлением его вынужденного вращения. Внешнее манипулирование спинами с помощью магнитных или оптических полей составляет основу для широкого спектра приложений — от магнитно-резонансной томографии до когерентного управления состояниями в квантовых вычислениях.

Установка для проведения эксперимента в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха. Источник: Степан Барышев

Вращение линейной поляризации излучаемого света находится в прямом соответствии с перемешиванием спина поляритона. Скорость такой модуляции по времени может достигать гигагерцового диапазона за счет сверхскоростной динамики поляритонной системы. Ученые установили факт возникновения такой прецессии только при определенном резонансном состоянии внешнего «перемешивания» c внутренними параметрами системы. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Optica.

Одним из наиболее эффективных способов управления спинами является ларморовская прецессия, которая возникает у магнитного материала, помещенного в поперечное магнитное поле, вследствие чего его спины начинают стабильно вращаться (прецессировать) вокруг линий магнитного поля с частотой, пропорциональной величине воздействующего на них поля.

«Использование дополнительного радиочастотного магнитного поля, находящегося в резонансе с частотой прецессии, приводит к появлению резонансного отклика исследуемой системы (например, ядерного (ЯМР) или электронного (ЭМР) магнитного резонанса), который можно измерять и использовать. Яркий пример такого использования — визуализация тканей организма человека в медицинских аппаратах МРТ», — отметил соавтор исследования Степан Барышев, научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха. 

Ученые-физики из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха открыли аналогичный традиционному ЯМР эффект в так называемом «жидком свете» — поляритонных конденсатах. Примечательно, что для получения этого эффекта использовались не магнитные поля, а только оптические.

Исследователями Сколтеха был открыт эффект резонанса в случае полностью оптической накачки спиновой прецессии в микрорезонаторах при криогенных температурах. В предыдущих исследованиях группа ученых Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса показала, что в микрорезонаторных поляритонах характерное энергетическое расщепление, возникающее под воздействием лазерного возбуждения с эллиптической поляризацией, выполняет функцию магнитного поля. В результате возникает самоиндуцированная ларморовская прецессия спина поляритонных конденсатов. Используя разработанную в лаборатории новую методику гигагерцового вращения поляритонного конденсата, ученые получили эффект гигагерцовой спиновой прецессии с высокой фазовой стабильностью. Аналогично традиционному ЯМР, спиновая прецессия возникает только в тех случаях, когда частота вращения находится в резонансе с частотой самоиндуцированной ларморовской прецессии.

«Важно отметить, что при возникновении резонанса поляритонная спиновая прецессия демонстрирует крайне длительное время дефазировки спина — 174 нс, что в двадцать раз больше ранее зарегистрированных значений. Этот показатель свидетельствует об исключительно высокой стабильности прецессии.  Резонанс наблюдался при изменении различных параметров системы, таких как частота вращения, эллиптичность поляризации и мощность накачки лазера», — продолжил Степан Барышев.

Ученые также разработали строгую численную модель, воспроизводящую результаты экспериментальных исследований. Кроме того, исследователям впервые в поляритонных конденсатах удалось по форме наблюдаемого спинового резонанса определить время спиновой когерентности T2, равное 320 пс. T2 — важный временной показатель с точки зрения возможных применений поляритонов, поскольку он характеризует возможную скорость манипуляции спином поляритона и позволяет сравнивать поляритоны с другими физическими системами.

Открытый учеными механизм резонанса создает новые интересные возможности для разработки инновационных спинтронных устройств, позволяющих управлять источниками когерентного, нелинейного и закрученного света. Кроме того, новый механизм может быть полезен для создания источника когерентного света с вращающейся на гигагерцовой частоте линейной поляризацией. Возможность управления высокоскоростными спинами также открывает перспективы для создания инновационных методов зондирования и квантовых систем с непрерывными переменными на основе поляритонных конденсатов. Полученные результаты могут также обеспечить возможность когерентного управления спиновым состоянием конденсата по аналогии с традиционными методами ЯМР, а в перспективе — использования нового метода при комнатных температурах с применением материалов с более стабильными экситонными резонансами.

Экспериментальная часть исследования выполнялась в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха. В состав исследовательской группы Сколтеха помимо первого автора статьи, выпускника Сколтеха Ивана Гнусова, вошли научный сотрудник Степан Барышев, старший преподаватель Сергей Аляткин, младший научный сотрудник Кирилл Ситник и профессор Павлос Лагудакис. Значительный вклад в теоретическую часть работы внес д-р Хельги Сигурдссон (Варшавский университет и Исландский университет).

Источник информации и фото: Сколтех

Источник

FiNE NEWS