Прорыв в управлении спинами: исследователи из Сколтеха достигли оптического контроля управления спинами в «жидком свете»

Аналог традиционных методов ЯМР

Исследователи из Сколтеха, Варшавского университета и Исландского университета совершили значительный прорыв в области управления спинами в «жидком свете» — поляритонных конденсатах. Они продемонстрировали, что с помощью оптических средств можно возбуждать и перемешивать экситон-поляритонный конденсат, который излучает линейно поляризованный свет с осью поляризации, следующей за направлением перемешивания.

Манипуляция спинами является ключевым элементом для широкого спектра приложений, от магнитно-резонансной томографии до управления когерентным состоянием в квантовых вычислениях. В данной работе исследователи показали, что скорость модуляции во времени может достигать диапазона ГГц, благодаря сверхбыстрой динамике поляритонной системы.

«Мы обнаружили, что прецессия спина поляритона происходит только при определённом резонансном состоянии внешнего перемешивания и внутренних параметров системы», — прокомментировал соавтор исследования Степан Барышев, научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха.

Установка для экспериментов в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха. Автор: Степан Барышев

Этот эффект аналогичен обычному ядерному магнитному резонансу (ЯМР) в «жидком свете», но был получен с использованием только оптических полей вместо магнитных. Используя новую технику для ГГц-перемешивания поляритонного конденсата, разработанную в Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха, исследователи достигли ГГц-управляемой прецессии спина с замечательной фазовой стабильностью. Аналогично обычному ЯМР, эта прецессия спина появляется только тогда, когда частота перемешивания находится в резонансе с самоиндуцированной частотой прецессии Лармора.

«При резонансе прецессия спина поляритона характеризуется исключительным временем дефазировки спина 174 нс, что в 20 раз больше ранее зарегистрированного значения», — объяснил Степан.

Более того, впервые в поляритонных конденсатах исследователям удалось восстановить время спиновой когерентности T2, равное 320 пс, из формы наблюдаемого спинового резонанса. T2 является важной временной шкалой для возможных применений поляритонов, характеризуя возможную скорость манипуляции спином поляритона и позволяя сравнивать их с другими физическими системами.

Этот резонансный механизм открывает новые возможности для инновационных спинтронных устройств, способных манипулировать когерентными, высоконелинейными и скрученными векторными источниками света. Более того, его можно использовать в качестве когерентного источника света с вращающейся линейной поляризацией на частоте ГГц.

Достигнутый быстрый контроль спина открывает возможности для передовых методов зондирования и непрерывного квантового вычисления на основе поляритонных конденсатов. Результаты могут обеспечить когерентный контроль состояния спина конденсата способом, аналогичным традиционным методам ЯМР, потенциально расширяя эти возможности даже до комнатной температуры, используя материалы с более стабильными экситонными резонансами.

Экспериментальная работа полностью проводилась в Центре фотоники Сколтеха. Помимо первого автора статьи, выпускника Сколтеха Ивана Гнусова, в состав исследовательской группы вошли научный сотрудник Степан Барышев, доцент Сергей Аляткин, младший научный сотрудник Кирилл Ситник и профессор Павлос Лагудакис. Сильную теоретическую поддержку оказал доктор Хельги Сигурдссон (Варшавский университет и Университет Исландии).