Enthüllung der Geheimnisse optischer Rabi-Oszillationen im Spin-Orbit

Die Rabi-Oszillation hat sich als einer der Eckpfeiler der Quantenmechanik erwiesen und löste umfangreiche Untersuchungen in verschiedenen Disziplinen aus, darunter Atom- und Molekülphysik, Akustik und Optik. Es wurden verschiedene wichtige Anwendungen demonstriert, die von der Kernspinresonanztomographie und -spektroskopie bis zur Quanteninformationsverarbeitung reichen.

Bisher wurden nur zwei unabhängige Klassen von Wellenzuständen in den Rabi-Oszillationen als Spinwellen und Orbitalwellen entdeckt, während ein Rabi-Wellenzustand, in dem Spin und Orbitaldrehimpuls gleichzeitig verschmelzen, bislang unbekannt blieb.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Zhen Li und Shenhe Fu vom Department of Optoelectronic Engineering der Jinan University, China, und Kollegen haben über eine neue Form der Rabi-Oszillation berichtet, die sowohl Spin als auch Bahndrehimpuls aufweist.

Um dieses grundlegende Phänomen aufzudecken, erstellten sie einen Pseudo-Spin-1/2-Formalismus und synthetisierten optisch ein kontrollierbares Magnetfeld im Licht-Kristall-Wechselwirkungsprozess. Basierend auf dieser Formel beobachteten sie gleichzeitige Schwingungen des Spins und des Bahndrehimpulses in schwachen und starken Kopplungsregimen, angetrieben durch das strahlabhängige synthetische Magnetfeld.

Darüber hinaus führten sie eine elektrisch abstimmbare Plattform ein, die eine feine Steuerung des Übergangs zwischen verschiedenen Rabi-Oszillationsmodi ermöglicht, was zu einer Emission von Orbital-Drehimpuls-Strahlen mit abstimmbaren topologischen Strukturen führt. Ihre Ergebnisse bilden einen allgemeinen Rahmen zur Erforschung von Spin-Bahn-Kopplungen im Bereich höherer Ordnung und bieten Wege zur Manipulation des Spins und des Bahndrehimpulses von Licht in drei und vier Dimensionen. Die beschriebene Methode und Technik wird potenzielle Anwendungen sowohl in der klassischen als auch in der Quantenoptik finden.

Die beobachtete Spin-Bahn-gekoppelte Rabi-Oszillation manifestiert sich durch gleichzeitige Oszillationen von Spin und Bahndrehimpuls mit der Kopplungslänge in Gegenwart der optisch synthetisierten Magnetfelder.

„Wir stellen einen Pseudospin-1/2-Formalismus in Analogie zur Pauli-Gleichung dar, die die Drehung eines Quantenteilchens beschreibt, und synthetisieren optisch ein Magnetfeld durch Licht-Kristall-Wechselwirkung. In dem System definieren wir rechts- und linksdrehend zirkular polarisiert.“ Wirbelstrahlen als Spin-Up- und Spin-Down-Äquivalente, die durch die synthetisierten Magnetfelder gekoppelt sind und vollständig kontrolliert werden können, entweder durch Strukturierung des Lichtstrahls oder durch Konstruktion des Kristalls.

„Strukturiertes Licht, das aus einer Überlagerung von Spin- und Bahndrehimpulszuständen besteht, hat großes Interesse auf sich gezogen, da es ein Potenzial für mehrdimensionales Datenmultiplexing mit hoher Kapazität verspricht. Unsere Plattform ermöglicht räumlich-zeitliche Modulationen der synthetisierten Magnetfelder und ermöglicht so die Manipulation der strukturierten Lichtstrahlen in drei Richtungen.“ – und vierdimensionale Konfigurationen“, sagen die Wissenschaftler.

„Da die Umgebung denen entspricht, die durch die Pauli-Gleichungen beschrieben werden, beispielsweise in der Quantenmechanik und der nichtlinearen Optik, eröffnen unsere Ergebnisse neue Möglichkeiten für die Spinormanipulation im Bereich höherer Ordnung.“