В повністю оптичному аналогові ядерного магнітного резонансу в квантових рідинах світла відкрите нове явище.

Обертання лінійної поляризації випромінюваного світла безпосередньо пов'язане з перемішуванням спина поляритона. Швидкість такої модуляції може досягати гігагерцового діапазону завдяки надшвидкісній динаміці поляритонної системи. Вчені встановили, що така прецесія виникає лише при певному резонансному стані зовнішнього «перемішування» з внутрішніми параметрами системи. Результати дослідження науковців опубліковані у журналі Optica.

Одним з найефективніших способів управління спинами є ларморівська прецесія, що виникає в магнітному матеріалі, поміщеному в поперечне магнітне поле, внаслідок чого його спини починають стабільно обертатися (прецесувати) навколо ліній магнітного поля з частотою, пропорційною величині впливаючого на них поля.

«Використання додаткового радіочастотного магнітного поля, що перебуває в резонансі з частотою прецесії, призводить до появи резонансного відгуку досліджуваної системи (наприклад, ядерного (ЯМР) або електронного (ЕМР) магнітного резонансу), який можна вимірювати і використовувати. Яскравим прикладом такого використання є візуалізація тканин організму людини в медичних апаратах МРТ», — зазначив співавтор дослідження Степан Барышев, науковий співробітник Лабораторії гібридної фотоніки Сколтеха.

Вчені-фізики з Лабораторії гібридної фотоніки Сколтеха відкрили аналогічний традиційному ЯМР ефект у так званому «рідкому світлі» — поляритонних конденсатах. Примітно, що для отримання цього ефекту використовувалися не магнітні поля, а лише оптичні.

Дослідники Сколтеха відкрили ефект резонансу в разі повністю оптичної накачки спинової прецесії в мікрорезонаторах при кріогенних температурах. У попередніх дослідженнях група науковців Лабораторії гібридної фотоніки Сколтеха під керівництвом професора Павлоса Лагудакіса показала, що в мікрорезонаторних поляритонах характерне енергетичне розщеплення, що виникає під впливом лазерного збудження з еліптичною поляризацією, виконує функцію магнітного поля.

В результаті виникає самоіндукована ларморівська прецесія спина поляритонних конденсатів. Використовуючи розроблену в лабораторії нову методику гігагерцового обертання поляритонного конденсата, вчені отримали ефект гігагерцової спинової прецесії з високою фазовою стабільністю. Аналогічно традиційному ЯМР, спинова прецесія виникає лише в тих випадках, коли частота обертання знаходиться в резонансі з частотою самоіндукованої ларморовської прецесії.

«Важливо зазначити, що при виникненні резонансу поляритонна спинова прецесія демонструє надзвичайно тривалий час дефазування спина — 174 нс, що в двадцять разів більше раніше зареєстрованих значень. Цей показник свідчить про виключно високу стабільність прецесії. Резонанс спостерігався при зміні різних параметрів системи, таких як частота обертання, еліптичність поляризації та потужність накачки лазера», — продовжив Степан Барышев.

Науковці також розробили строгий чисельний модель, що відтворює результати експериментальних досліджень. Крім того, дослідникам вперше в поляритонних конденсатах вдалося за формою спостережуваного спінового резонансу визначити час спінової когерентності T2, що дорівнює 320 пс. T2 — важливий часовий показник з точки зору можливих застосувань поляритонів, оскільки він характеризує можливу швидкість маніпуляції спином поляритона і дозволяє порівнювати поляритони з іншими фізичними системами.

Відкритий вченими механізм резонансу створює нові цікаві можливості для розробки інноваційних спінтронних пристроїв, що дозволяють управляти джерелами когерентного, нелінійного та закрученого світла. Крім того, новий механізм може бути корисним для створення джерела когерентного світла з обертовою на гігагерцовій частоті лінійною поляризацією. Можливість управління високошвидкісними спинами також відкриває перспективи для створення інноваційних методів зондування і квантових систем з безперервними змінними на основі поляритонних конденсатів. Отримані результати можуть також забезпечити можливість когерентного управління спіновим станом конденсата за аналогією з традиційними методами ЯМР, а в перспективі — використання нового методу при кімнатних температурах з застосуванням матеріалів з більш стабільними екситонними резонансами.

Експериментальна частина дослідження виконувалася в Центрі фотоніки та фотонних технологій Сколтеха. До складу дослідницької групи Сколтеха, крім першого автора статті, випускника Сколтеха Івана Гнусова, увійшли науковий співробітник Степан Барышев, старший викладач Сергій Аляткін, молодший науковий співробітник Кирило Ситник та професор Павлос Лагудакіс. Значний внесок у теоретичну частину роботи зробив доктор Хельги Сигурдссон (Варшавський університет та Ісландський університет).