Полностью оптический аналог ядерного магнитного резонанса был открыт в квантовых жидкостях света.

Поворот линейной поляризации излучаемого света напрямую связан с изменением спина поляритона. Скорость такой временной модуляции может достигать гигагерцового диапазона благодаря сверхскоростной динамике поляритонной системы. Ученые подтвердили, что такая прецессия возникает лишь при определенном резонансном состоянии внешнего «перемешивания» с внутренними параметрами системы. Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Optica.

Одним из самых эффективных методов управления спинами является ларморовская прецессия, которая возникает у магнитного материала, помещенного в поперечное магнитное поле. В результате его спины начинают стабильно вращаться (прецессировать) вокруг линий магнитного поля с частотой, пропорциональной величине воздействующего поля.

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

Физики из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха открыли аналогичный традиционному ЯМР эффект в так называемом «жидком свете» — поляритонных конденсатах. Примечательно, что для достижения этого эффекта использовались исключительно оптические поля.

Исследователи Сколтеха обнаружили эффект резонанса при полностью оптической накачке спиновой прецессии в микрорезонаторах при криогенных температурах. В предыдущих работах 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 достигли эффекта гигагерцовой спиновой прецессии с высокой фазовой стабильностью. Подобно традиционному ЯМР, спиновая прецессия возникает только тогда, когда частота вращения находится в резонансе с частотой самоиндуцированной ларморовской прецессии.

«Следует отметить, что при возникновении резонанса поляритонная спиновая прецессия демонстрирует исключительно длительное время дефазировки спина — 174 нс, что в двадцать раз превышает ранее зарегистрированные значения. Этот показатель говорит о крайне высокой стабильности прецессии. Резонанс наблюдался при изменении различных параметров системы, таких как частота вращения, эллиптичность поляризации и мощность накачки лазера», — добавил 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 параметр с точки зрения возможных применений поляритонов, поскольку он характеризует потенциальную скорость манипуляции спином поляритона и позволяет сопоставлять поляритоны с другими физическими системами.

Механизм резонанса, открытый учеными, открывает новые интересные возможности для разработки инновационных спинтронных устройств, позволяющих управлять источниками когерентного, нелинейного и закрученного света. Более того, новый механизм может быть полезен для создания источника когерентного света с вращающейся на гигагерцовой частоте линейной поляризацией. Возможность управления высокоскоростными спинами также создает перспективы для разработки 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 будущем — использование нового метода при комнатных температурах с применением материалов с более стабильными экситонными резонансами.

Экспериментальная часть исследования проводилась 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 доктор Хельги Сигурдссон (Варшавский университет и Исландский университет).